Evaluación de un sistema de sifón para la extracción de ...

UNIVERSIDAD DE CARABOBO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

Evaluación de un sistema de sifón para la extracción de sedimentos en embalses eutroficados. (Caso de estudio

embalse Pao-Cachinche).

Br. Rafael Páez

Br. Sergio Romero

Naguanagua, 16 de Mayo de 2011

http://www.pdfcomplete.com/cms/hppl/tabid/108/Default.aspx?r=q8b3uige22





embalse Pao-Cachinche).

Trabajo especial de grado presentado ante la Ilustre Universidad de Carabobo para

optar al título de Ingeniero Mecánico Tutor académico: Ing. Eduardo Fraute

Autores:

Br. Rafael Páez

Br. Sergio Romero







embalse Pao-Cachinche). Trabajo especial de grado presentado ante la Ilustre Universidad de Carabobo para

optar al título de Ingeniero Mecánico

Br. Rafael Páez

Br. Sergio Romero






CERTIFICADO DE APROBACIÓN Quienes suscriben, Miembros del Jurado designado por el Consejo de Escuela

de Ingeniería Mecánica para examinar la Tesis de Pregrado titulada “Evaluación de

un sistema de sifón para la extracción de sedimentos en embalses eutroficados.

(Caso de estudio embalse Pao-Cachinche).”, presentada por los bachilleres: Rafael

Páez y Sergio Romero, portadores de la Cédula de Identidad Nº: 17.777.359 y

18.554.247, respectivamente; hacemos constar que hemos revisado y aprobado el

mencionado trabajo.

_______________________

Eduardo Fraute Presidente del jurado

_______________________

Miembro del jurado

________________________

Miembro del jurado

En Naguanagua a los 12 días del mes de Mayo de 2011


UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA


CERTIFICADO DE APROBACIÓN

Quienes suscriben, Miembros del Jurado designado por el Consejo de Escuela de Ingeniería Mecánica para examinar la Tesis de Pregrado titulada “Evaluación de

un sistema de sifón para la extracción de sedimentos en embalses eutroficados. (Caso de estudio embalse Pao-Cachinche).”, presentada por los bachilleres: Rafael

Páez y Sergio Romero, portadores de la Cédula de Identidad Nº: 17.777.359 y 18.554.247, respectivamente; hacemos constar que hemos revisado y aprobado el

mencionado trabajo.

_______________________

Presidente del jurado

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Miembro del jurado

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Miembro del jurado

En Naguanagua a los 12 días del mes de Mayo de 2011


IInnttrroodduucccciióónn

Los embalses son sistemas creado por el hombre para acumular el agua de los

ríos que de otra manera seguirían su curso natural hasta desembocar en el mar o en

algún lago. De esta manera, se asegura el suministro de agua potable, agua para riego

e industrias en lugares con períodos de sequía prolongados o donde es difícil y lejano

el acceso a las fuentes permanentes de suministro. Con este propósito se construyó el

embalse Pao - Cachinche, para abastecer a los estados Aragua, Cojedes y Carabobo

mediante dos sistemas de bombeos conocidos como Sistema Regional del Centro I

(SRC-I) y Sistema Regional del Centro II (SRC-II). El SRC-I está constituido por el

embalse Pao-Cachinche y la planta de tratamiento Alejo Zuloaga, mientras que el

SRC-II lo forman el embalse Pao- La Balsa y la planta de tratamiento Lucio Baldo

Soulés. Desde la construcción del embalse Pao-Cachinche no se elaboró la compuerta

para el desalojo de los sedimentos de fondo, y hasta ahora ningún ente ha dado

explicaciones del porque no se consideró este tipo de infraestructura en la obra. Este

es el principal problema que presenta este embalse. Adicionalmente la acumulación

de los sedimentos en el fondo del embalse obstruye las compuertas de la torre de

toma selectiva allí ubicada. El lodo es generado por el arrastre de los desechos y

desperdicios provenientes del crecimiento urbanístico sin planificación, agricultura

intensiva, granjas avícolas y porcinas, ganadería menor y deforestación de las cuencas


2 Evaluación de un sistema de sifón para la extracción de sedimentos en embalses eutroficados. Caso de estudio: Embalse Pao-Cachinche

de drenaje, que contribuyen en el aporte excesivo de nutrientes, principalmente

fósforo y nitrógeno los cuales son los elementos más importantes para el crecimiento

de algas y plantas. Este aumento excesivo de dichos elementos genera lo que se

denomina como eutroficación, lo que representa un enriquecimiento con nutrientes de

plantas ligados a partículas orgánicas e inorgánicas antes mencionadas. El desalojo de

los sedimentos y lodos presentes en este embalse contribuiría a eliminar en parte el

problema de la eutroficación y seguidamente una mejora en la calidad del agua,

además de permitir que la torre de toma selectiva pueda trabajar de forma más

eficiente. De lo contrario los costos de tratamiento serán mayores y el proceso más

complicado para brindarle a las personas la calidad de agua exigida por las normas,

según el Decreto 883, de la Gaceta Oficial N° 35.445, relativo a las Normas para la

Clasificación y el Control de la Calidad de los Cuerpos de Agua y Vertidos O

Efluentes Líquidos y también, en otros decretos relacionados.

Cabe destacar que el Capítulo I refleja claramente el contexto de estudio, que

plantea la realidad de la problemática y objetivos de la investigación.

En el Capítulo II se hace referencia a las fundamentaciones teóricas de

sedimentación, proceso de eutroficación, tecnología de sifón, ecuaciones de energía y

otros puntos de interés para el desarrollo de la investigación.

El Capítulo III se da a conocer la metodología utilizada para el diseño y

evaluación del sistema de sifón, parámetros y condiciones de diseño.

El Capítulo IV, muestra los resultados obtenidos por medio del desarrollo de los

objetivos específicos.

En el Capítulo V, se presentan los análisis de los resultados obtenidos.

En el Capítulo VI, se presentan las conclusiones y recomendaciones

respectivamente.


CAPÍTULO 1

EEll PPrroobblleemmaa

En el presente capítulo se muestra información inicial de la investigación a

desarrollar, se plantea y formula el problema, dando a conocer su propósito,

también se muestran los objetivos que se desean alcanzar, las limitaciones y

delimitaciones del proyecto, así como también las razones por las cuales es

necesario realizarlo.

1.1- Planteamiento del problema.

A nivel mundial la sedimentación en los embalses es una actividad propia de su

dinámica. En su diseño, originalmente esta es una variable a considerar, debido a que

su evaluación determina la vida útil del embalse; razón específica para estimar

proporcionalmente inversiones cuantiosas y, mucho más aún, cuando se trata de

abastecer a poblaciones que exigen el suministro de demandas en constante

crecimiento.

La dinámica propia de cada embalse la establece, en primer lugar, el nivel total

de sólidos suspendidos totales que arrastran en las escorrentías superficiales de su

cuenca, los caudales aportantes y, en una segunda estimación, no menos importante

que la anterior mencionada; la condición trófica del ecosistema acuático. En este



sentido, se pueden diferenciar los sedimentos transportados hasta ellos y los

generados endógenamente. Los primeros se depositan rápidamente en el fondo y los

segundos tienen un mayor tiempo de decantación. Estos originan mengua en la

calidad del agua, transformando de manera estratificada, bien sea físicamente o

químicamente la columna de agua; transfiriéndoles propiedades no deseables que

originan altos costos para su tratamiento de potabilización.

En Latinoamérica existen muchos lagos y embalses eutroficados donde la

condición eutrófica ha originado estratificaciones que causan problemas en la calidad

del agua. En términos generales, las soluciones han estado relacionada a un cambio

de aptitud de la sociedad en general, o visto del punto de vista ambiental; un cambio

en uso del recurso agua por parte de los actores principales, es decir, el estado, las

industrias, los ciudadanos y más específicamente, como la devuelven al medio

ambiente después de su uso.

En Venezuela existen embalses con este tipo de problemas, pero más bien

referidas al segundo tipo de sedimentos. Son notorios los problemas del lago de

Maracaibo en el estado Zulia, el embalse la Mariposa en el estado Miranda y en

Cojedes el embalse Pao Cachinche. En todos los mencionados se ha desarrollado un

proceso de eutroficación cultural; es decir de origen antropogénico; quienes vierten

por las escorrentías naturales nutrientes como nitrógeno y fosforo, enriqueciendo las

aguas contenidos en ellos, promoviendo la proliferación de algas que al cumplir su

ciclo de vida, se depositan en el fondo consumiendo todo el oxígeno molecular y

transformando en anóxicas sus aguas de difícil potabilización.

El embalse Pao Cachinche ubicado en el suroeste de los límites de Carabobo y

Cojedes presenta este problema. Aunado a esto, no posee compuerta de drenaje,

situación que contribuye a crear una columna de variados sedimentos y,

consecuentemente, a desmejorar la calidad de las aguas contenidas en el.

Esto representa un problema a resolver, ya que este embalse actualmente

suministra agua a los estados Carabobo, Cojedes y Aragua. El desalojo de los


Capitulo 1. El Problema 5

sedimentos de este embalse contribuiría a eliminar volúmenes de agua pertenecientes

a la estratificación química, considerados como anóxicos y, sobretodo, los adyacentes

al área de captación en la torre toma selectiva, de lo contrario los costos de

tratamiento podrían ser mayores y complicarían el abastecimiento de agua potable a

la región central.

En tal sentido, fue oportuno realizar la siguiente pregunta, ¿será posible diseñar

un sistema ecológico, es decir, sin el uso adicional de energía usada para el

abastecimiento de agua potable, que sea capaz de desalojar volúmenes de agua,

supuestamente anóxicas, dada la falta de compuerta de drenaje en el embalse Pao

Cachinche y, de este modo, ayudar a mitigar posibles aumentos en los costos de

potabilización? La respuesta a ello será el tema principal en esta investigación.

1.2- Formulación del problema.

Con este trabajo de investigación se pretende dar respuesta la siguiente

interrogante, ¿Cómo desalojar sedimentos de la columna de estratificación química de

un embalse?

1.3- Objetivos.

1.3.1- Objetivo General.

• Evaluación de un sistema de sifón para la extracción de sedimentos en

embalses eutroficados.

1.3.2- Objetivos Específicos.

• Identificar la situación actual del embalse Pao-Cachinche en relación a la

eutroficación.

• Diagnosticar la situación actual del embalse Pao-Cachinche en relación a

la eutroficación.



• Proponer alternativas de solución para la mitigación del problema de la

eutroficación del embalse Pao-Cachinche.

• Seleccionar la mejor alternativa, considerando aspectos ecológicos.

• Desarrollar la alternativa de método de extracción de sólidos suspendidos

totales y sedimentos para un análisis de toma de decisión.

1.4- Justificación del problema.

El afluente proveniente del Pao-Cachinche que es tratado y potabilizado en la

“Planta Alejo Zuloaga”, bajo procesos físico-químicos unitarios de: Floculación,

Sedimentación, Filtración y Desinfección; ha venido desmejorando a través de los

años y cada día se hace más difícil su potabilización, debido a que actualmente este

embalse recibe aportes de fuentes que se encuentra contaminadas como lo son la

mayoría de los ríos de la cuenca alta y media del Río Pao, el Río Cabriales y el Lago

de Valencia. Este afluente actualmente, se comporta temporalmente como aguas tipo

1-C, según el Decreto 883, de la Gaceta Oficial N° 35.445, relativo a las Normas para

la Clasificación y el Control de la Calidad de los Cuerpos de Agua y Vertidos O

Efluentes Líquidos. Se estima que tienen esta caracterización 1-C, es decir aguas que

necesitan tratamientos especiales, diferentes a los convencionales como las presentes

en la Planta de Potabilización Alejo Zuloaga. El efecto de estas aguas, en los procesos

de tratamiento, tiene su principal incidencia en el filtrado de las mismas, ya que el

flujo de esta disminuye rápidamente, ocasionando, repeticiones de lavados de los

filtros, reduciendo la producción de la capacidad instalada hasta en un 60%, lo que

origina desabastecimiento.

Una investigación que permita desarrollar sinergias, de manera integral,

incluyendo al problema de la sedimentación en el área adyacente a la torre toma

selectiva del embalse Pao – Cachinche, permitirá elaborar alternativas de solución

que puedan adaptarse como proyecto factible para mejorar la calidad de las aguas

contenidas en el embalse y poder utilizar toda la capacidad de producción instalada.


Capitulo 1. El Problema 7

1.5- Limitaciones.

• Tiempo necesario para desarrollar la investigación.

• Recursos logísticos para traslado hasta el embalse, así como también,

desplazamiento dentro del embalse.

1.6- Delimitaciones.

La investigación está circunscrita dentro del radio de acción tendiente a elaborar

y desarrollar métodos o formas de desalojar un fluido de densidad no especifica,

conformado por materia orgánica e inorgánica, alojada en el área del fondo adyacente

a la torre toma selectiva del embalse Pao – Cachinche.



CAPÍTULO 2

BBaasseess TTeeóórriiccaass

En el siguiente capítulo se presentan los antecedentes y las bases teóricas que

servirán para fundamentar esta investigación.

2.1- Antecedentes de la investigación.

2.1.1- Introducción.

A pesar de que se conoce extracciones de lodos por dragados u otros métodos, no

existe una literatura específica para esta investigación, de allí la importancia de este

trabajo de desarrollar un método que permita adaptarlo al caso estudio.

Los sedimentos de cualquier embalse son producto del arrastre de las escorrentías

superficiales que drenan hacia ellos. Dentro de los principales sedimentos se

encuentran en primer lugar, los materiales sueltos del suelo junto a su composición

química. En segundo lugar, la materia orgánica originada por el fitoplancton y

zooplancton que cumplen su ciclo de vida dentro del ecosistema acuático.

Esta segunda generación de sedimentos puede ser tan profusa como las del

arrastre de las escorrentías superficiales, pero cuando se originan florescencia masiva

de microalgas pertenecientes al fitoplancton, y en cualquier caso, de modos no

específicos entran en combinación con la turbiedad y sólidos suspendidos totales



presentes en los embalses suelen producir en definitiva lodos en un embalse.

(Entrevista realizada al Ingeniero Abnel Estaba, Jefe del Dpto. De Fuentes

Subterráneas de la C. A. Hidrológica del Centro).

2.1.2- Antecedentes.

Antecedente Nº 1.

Siguiendo la metodología de nuestra investigación, en consulta de textos

asociados o relacionados con ella, se localizó un trabajo de investigación, titulado

“Caracterización Limnológica del Embalse Pao-Cachinche” (Estados Carabobo y

Cojedes), elaborado por los investigadores: Ernesto J. González Rivas, Mario V.

Ortaz S, Carlos Peñaherra integrantes del Instituto de Biología Experimental de la

Universidad Central de Venezuela. El estudio fue contratado por la C. A. Hidrológica

del Centro (HIDROCENTRO), realizado entre los años 1997-1998 y presentado en el

año 2000. Se identificaron las siguientes conclusiones, transcritas textualmente como

se presenta en el informe:

“El embalse Pao-Cachinche no presentó períodos de circulación de sus aguas

durante el período de estudio, posiblemente porque el cuerpo de agua está protegido

efectivamente de la acción del viento por la topografía circundante.

A partir de los 10 m de profundidad, siempre se registraron condiciones de

hipoxia y de anoxia en la columna de agua de las estaciones limnéticas (profundas).

Las aguas del embalse son de baja salinidad, pues su conductividad estuvo por

debajo de los 500 μS/cm.

Se comprobó la contaminación por enterobacterias, y esta contaminación fue

mayor en el brazo este del embalse (Paya) que el brazo oeste (torre – toma).

Las aguas del embalse presentaron altas concentraciones de nutrientes,

especialmente de fósforo, los cuales tienen su origen en la descarga de los afluentes

sin tratamiento previo y de múltiples actividades antrópicas en la cuenca de drenaje.

Las altas concentraciones de fósforo total registradas permitieron clasificar este


Capitulo 2. Bases Teóricas 11

cuerpo de agua como hipereutrófico, de acuerdo al criterio de Salas y Martino.

(Salas, J., Martino, P., 1981-1990)

La dinámica de los nutrientes en el embalse estuvo determinada por los períodos

de lluvias y de sequía, los cuales determinan los procesos de dilución y concentración

de los iones. Al inicio de la temporada de lluvias, el aumento de los caudales de los

afluentes arrastró los nutrientes y materia orgánica acumulados en la cuenca de

drenaje, y provocaron un aumento en casi todos los parámetros estimados, para

después diluirse con el transcurrir de la estación de lluvias.

El fitoplancton estuvo dominado por cianobacterias durante todo el período de

estudio. La alta biomasa y la alta abundancia del fitoplancton generaron una alta

productividad primaria, con valores comparables a la del productivo y eutrófico Lago

de Valencia”.

Como puede observarse (González et al, 2000) determinan algunas variables

dándole, además de sentido de conclusión, connotaciones características al embalse

entre ellas:

a) El embalse Pao Cachinche para esa fecha se encontraba hipereutroficado.

b) La hipereutroficación, más que todo se debe a la presencia de nutrientes como

Nitrógeno y Fósforo.

c) Existe alto desarrollo del nivel primario del medio acuático, es decir, el

fitoplancton debido a la presencia de estos nutrientes.

d) Determinan que a partir de los 10 m de profundidad existe anoxia e hipoxia.

Además de existir otras conclusiones determinativas pero que tienen que ver más,

con los aspectos biológicos-limnológicos, en el trabajo existen elementos

relacionantes con respecto a los sedimentos. Dentro de los más destacados indican

que la remoción selectiva de las aguas hipolimnéticas podría disminuir la alta

producción primaria. Aunque no parezca estar relacionado con sedimentos en sus

explicaciones; para los efectos de esta investigación se asocia, ya que, la alta

productividad primaria induce a sedimentación de materia orgánica para formar



sedimentos mixtos de gran complejidad para de este modo contribuir con la anoxia, o

bien aguas de baja calidad.

Como puede observarse la investigación mencionada guarda relación con la

producción de un tipo de sedimentos, mas no así con la extracción de los mismos de

un embalse.

Antecedente Nº 2.

Cruz, L., Enrique, B. (2005) son autores de un trabajo de investigación

pertenecientes a la Universidad Nacional Mayor de San Marcos Lima-Perú. Estos

realizaron un trabajo de grado para optar por el título de Ingeniero Mecánico de

Fluidos titulado: “Diseño hidráulico del sifón acueducto Ccochanccay, Proyecto de

Irrigación Yaurihuiri”, los cuales desarrollaron estudios topográficos de la zona

referentes a la curvas de nivel y perfil del terreno, para el diagnóstico sobre la

geología general y geotécnica en el sitio de la obra dando un resultado positivo en el

desarrollo del proyecto. Además realizaron la traza del sifón y diseñaron la forma y

dimensiones de la sección transversal del conducto dependiendo del caudal que debe

pasar y de su velocidad.

Los mismos concluyen que con la construcción del sistema de puente colgante en

esta obra, permitió solucionar el paso a desnivel por la presencia del Cañón

Ccochanccay, evitando continuar construyendo un canal de 4.211 km y un Túnel

aproximadamente de 50 m que económicamente seria más costoso y su construcción

era de larga prolongación.

Aunque el estudio no guarda relación alguna con el tema especifico de

sedimentos y su extracción, se determina el uso de elementos no convencionales para

transporte de grandes caudales, usando la gravedad, como una aplicación directa de

transformación de energía potencial en cinética, diseñando un sifón de grandes

dimensiones, logrando salvar topografía de cotas superiores, evitando costos tanto de

uso de energía para bombeo o, construcción de obras de ingentes costos.



2.2- Bases Teóricas.

2.2.1- Embalse.

Los embalses son sistemas "creados" por el Hombre para acumular el agua de los

ríos que de otra manera seguirían su curso natural hasta desembocar en el mar o en

algún lago. De esta manera, se asegura el suministro de agua potable, agua para riego

e industrias en lugares con períodos de sequía prolongados o donde es difícil y lejano

el acceso a las fuentes permanentes de suministro. Igualmente, los embalses le

permiten al hombre proveerse de energía eléctrica, puede controlar las inundaciones,

criar peces para alimentarse, realizar actividades de recreación, u otras.

Generalmente, en un mismo embalse se combinan y alternan distintas aplicaciones

(uso múltiple). No obstante la función utilitaria que sin duda cumplen los embalses,

debe ponderarse ecológicamente, ellos constituyen una alteración profunda del

entorno natural y deben ser objeto de un buen seguimiento limnológico (investigación

del medio lacustre en lo que se refiere tanto las condiciones físicas y químicas del

entorno como a las relaciones troficodinámicas de las poblaciones que viven en el

mismo) a partir del momento en que se inicia la fase de llenado y durante toda su vida

útil, a fin de que cumpla por el mayor tiempo posible las funciones utilitarias para las

cuales ha sido construido, causando el menor impacto ambiental posible ó bien

mitigarlo. (Compendio de Definiciones Limnológicas, 1990)

2.2.1.1- Geomorfología.

El origen de los embalses y su morfometría son de gran interés. La

geomorfología está íntimamente relacionada a los eventos físicos, químicos y

biológicos dentro del embalse y juega un papel importante en el metabolismo de los

lagos. Adicionalmente regula o establece la distribución de sedimentos en el fondo.

La geomorfología controla la naturaleza del drenaje de un embalse, la entrada de

nutrientes, el volumen de agua que entra en relación a la que sale (tiempo de

renovación), entre otros.



La estratificación y el comportamiento térmico están determinados por la

morfometría y el volumen del aporte de agua. Ello a su vez, determina la distribución

de gases disueltos, nutrientes y organismos. (Compendio de Definiciones

Limnológicas, 1990)

2.2.2- Sedimentos.

Son partículas no consolidadas creadas por la meteorización y la erosión de rocas,

por precipitación química de soluciones acuosas o por secreciones de organismos,

lisis celular del microplancton, descomposición de macrófitas, y transportadas por el

agua, el viento o los glaciares.

Se entiende por sedimentación la separación por efecto gravitacional de las

partículas en suspensión presentes en el agua. Estas partículas deberán tener un peso

específico mayor que el fluido.

La remoción de partículas en suspensión en el agua puede conseguirse por

sedimentación o filtración. De allí que ambos procesos se consideren como

complementarios. La sedimentación remueve las partículas más densas, mientras que

la filtración remueve aquellas partículas que tienen una densidad muy cercana a la del

agua o que han sido resuspendidas.

La sedimentación es, en esencia, un fenómeno netamente físico y constituye uno

de los procesos utilizados en el tratamiento del agua para conseguir su clarificación.

Está relacionada exclusivamente con las propiedades de caída de las partículas en el

agua. Cuando se produce sedimentación de una suspensión de partículas, el resultado

final será siempre un fluido clarificado y una suspensión más concentrada. A menudo

se utilizan para designar la sedimentación los términos de clarificación y

espesamiento. Se habla de clarificación cuando hay un especial interés en el fluido

clarificado, y de espesamiento cuando el interés está puesto en la suspensión

concentrada.

Las partículas en suspensión sedimentan en diferente forma, dependiendo de las

características de las partículas, así como de su concentración. Es así que podemos



referirnos a la sedimentación de partículas discretas, sedimentación de partículas

floculentas y sedimentación de partículas por caída libre e interferida.

2.2.2.1- Sedimentación de partículas discretas.

Se llama partículas discretas a aquellas partículas que no cambian de

características (forma, tamaño, densidad) durante la caída.

Se denomina sedimentación o sedimentación simple al proceso de depósito de

partículas discretas. Este tipo de partículas y esta forma de sedimentación se

presentan en los desarenadores, en los sedimentadores y en los presedimentadores

como paso previo a la coagulación en las plantas de filtración rápida y también en

sedimentadores como paso previo a la filtración lenta.

2.2.2.2- Sedimentación de partículas floculentas.

Partículas floculentas son aquellas producidas por la aglomeración de partículas

coloides desestabilizadas a consecuencia de la aplicación de agentes químicos. A

diferencia de las partículas discretas, las características de este tipo de partículas

(forma, tamaño, densidad) sí cambian durante la caída.

Se denomina sedimentación floculenta o decantación al proceso de depósito de

partículas floculentas. Este tipo de sedimentación se presenta en la clarificación de

aguas, como proceso intermedio entre la coagulación-floculación y la filtración

rápida.

2.2.2.3- Sedimentación por caída libre e interferida.

Cuando existe una baja concentración de partículas en el agua, éstas se depositan

sin interferir. Se denomina a este fenómeno caída libre. En cambio, cuando hay altas

concentraciones de partículas, se producen colisiones que las mantienen en una

posición fija y ocurre un depósito masivo en lugar de individual. A este proceso de

sedimentación se le denomina depósito o caída interferida o sedimentación zonal.

Cuando las partículas ya en contacto forman una masa compacta que inhibe una

mayor consolidación, se produce una compresión o zona de compresión. Este tipo de



sedimentación se presenta en los concentradores de lodos de las unidades de

decantación con manto de lodos.

2.2.2.4- Sedimentación de partículas floculentas con caída interferida.

En bajas concentraciones de partículas, estas sedimentan o decantan libremente;

en cambio, con alta concentración de partículas floculentas (superiores a 500 mg/L),

las partículas se encuentran a distancias tan reducidas que se adhieren entre sí y

sedimentan masivamente. Así, se crea una clara superficie de separación entre los

flóculos y el líquido que sobrenada y esto da origen al fenómeno de sedimentación

conocido con los nombres de decantación interferida o zonal.

Klinch establece las hipótesis fundamentales para la decantación interferida, en la

cual la velocidad de caída de una partícula depende principalmente de la

concentración de las partículas.

Figura 2.1. Decantación por caída interferida. (Pérez, 2005)

Al llenar una columna de sedimentación de altura y diámetro adecuados con una

suspensión floculenta de elevada concentración, se tiene inicialmente una

concentración uniforme en toda la altura de la columna h0. En diferentes tiempos se

mide la altura de la capa superior de los lodos y se obtiene una curva como la que

aparece en la figura 2.1, que tiene los siguientes rasgos:



Zona A-B. La superficie de separación es muy definida. Esta es una fase de

coalescencia de los flóculos seguida de una zona muy pequeña de decantación libre

(en la mayoría de casos, esta primera zona no se produce).

Zona B-C. Tiene una pendiente rectilínea. Corresponde a una velocidad de caída

constante definida únicamente por el tipo de floculación y la concentración de las

partículas. Al incrementarse la concentración inicial de las partículas disminuye la

velocidad. A esta zona se la denomina decantación frenada.

Zona C-D. En esta zona se produce la disminución progresiva de la velocidad de

caída. Se denomina zona de desaceleración o transición.

Zona D-E. En esta zona los flóculos se tocan y ejercen presión sobre las capas

inferiores, puesto que están soportados por estas. Se le llama zona de compresión.

Si consideramos, por simplicidad, que al decantarse una suspensión concentrada

no se produce la primera zona, se obtienen las alturas de separación de interface como

se indica en la figura 2.2.

Figura 2.2. Análisis de la curva de decantación interferida. (Pérez, 2005)



En el triángulo BOC, la concentración y la velocidad de caída son constantes e

iguales, respectivamente, a los valores iniciales en B.

En el triángulo COD, las curvas de equiconcentración son rectas que pasan por el

origen, lo que significa que, desde los primeros momentos de la sedimentación, las

capas más próximas al fondo se tocan y pasan por todas las concentraciones

comprendidas entre la concentración inicial y la concentración al punto D, principio

de la compresión. (Pérez, 2005)

2.2.3- Estratificación.

Es la conformación en estratos (grupos verticales) bien diferenciados de acuerdo

a criterios establecidos y reconocidos, que ayudan a estudiar la composición de un

entorno y que debe ser agrupado según diversos criterios para lograr su estudio,

descripción y comprensión. Es decir, son diferencias en las propiedades tales como,

temperatura, gases disueltos o solutos, que varían con la profundidad del agua en los

lagos y embalses.

2.2.3.1- Estratificación Térmica y Estratificación Química.

Existen dos tipos de gradientes que causan la estratificación: los físicos,

producidos por la temperatura; y los químicos, producidos por la diferente

composición química de las aguas superficiales y profundas.

La estratificación térmica es inversa (más baja en la superficie que hacía el

fondo) en lagos polares con cubierta permanente o casi permanente de hielo. En

regiones templadas (4 estaciones) se establece una estratificación directa en verano es

decir: un estrato de temperatura uniforme y alta en la superficie (epilimnion); un

estrato intermedio con gradiente pronunciado de temperatura (termoclina) y un

estrato de temperatura uniforme y más baja en el fondo (hipolimnion).

En lagos tropicales suelen presentarse largos períodos de estratificación directa,

con poca diferencia de temperatura (pero no de densidad) entre la superficie y el



fondo. Por ello, no debiera uno referirse a la termoclina en lagos tropicales, sino más

bien a la picnoclina.

Independientemente del comportamiento térmico, la estratificación química es

frecuente en los embalses tropicales, la cual se hace más marcada cuando la

profundidad es mayor y el tiempo de retención hidráulica es muy prolongado. Los

embalses en el trópico por lo regular se localizan en zonas intervenidas por el

hombre; por ello, están expuestos constantemente al arrastre de sedimentos, de aguas

negras y nutrientes de campos de cultivo, favorecido todo ello por las altas

pluviosidades. Embalses con poca circulación acumulan estos materiales en el fondo,

donde se descomponen, creando un ambiente anóxico, que puede perdurar por meses

o años.

Los Modelos de mezcla en lagos de acuerdo al número de mezclas por año

referente a la estratificación química son:

• Holomicticos (circulación del agua completa, hasta el fondo).

• Meromícticos (lagos químicamente estratificados) se presenta cuando

tienen una zona de agua de fondo químicamente estable “agua muerta del

fondo” que permanece así durante mucho tiempo.

2.2.3.2- Estabilidad de un lago estratificado.

La magnitud de la estratificación de un embalse y su resistencia a la mezcla

pueden estimarse de la estabilidad (S). La estabilidad por unidad de área de un lago es

la cantidad de trabajo o energía mecánica (en ergios) requerida para mezclar todo el

volumen de agua hasta temperatura uniforme por el viento, sin adición ni sustracción

de calor. La estabilidad está muy influenciada por el tamaño y la morfometría (es

mayor en lagos grandes).



2.2.3.3- Modificaciones en la estratificación.

La estratificación de verano" puede modificarse por formación de termoclinas

secundarias o múltiples cuando se alternan períodos de intenso calentamiento con

períodos de mezcla. (International Environmental Technology Centre, 2001)

2.2.4- Eutroficación.

La eutroficación de lagos y embalses consiste en el enriquecimiento con

nutrientes de plantas, principalmente fósforo y nitrógeno, que ingresan como solutos

y están ligados a partículas orgánicas e inorgánicas. El crecimiento abundante de

plantas acuáticas a menudo deteriora la calidad. Los mayores aportes de nutrientes en

las aguas continentales generalmente se deben alteraciones producidas en las

respectivas cuencas, tales como deforestación, desarrollo agrícola e industrial y

urbanización. Las condiciones ambientales dentro de los cuerpos de agua, en el aire y

en la cuenca influyen en la eutroficación. Entre los factores que regulan los impactos

del enriquecimiento por nutrientes dentro de los lagos se encuentran la estructura de

la cadena trófica, los intercambios entre sedimentos y agua, la forma de la cuenca y

los movimientos del agua dentro del lago o embalse. Las condiciones climáticas e

hidrológicas en la cuenca afectan aún más los impactos de la eutroficación.

La eutroficación de las aguas continentales es uno de los problemas ambientales

más comunes y ejerce impactos ecológicos, sanitarios y económicos significativos y

negativos en un recurso primario y finito: el agua. El agua pura y dulce es esencial

para muchos organismos y para las sociedades humanas, cuya existencia se ve

amenazada cuando su calidad se deteriora. Los síntomas de la eutroficación incluyen

conglomerados de algas y toxinas derivadas de floraciones de algas, infestaciones

masivas de ciertas plantas acuáticas, creciente incidencia de enfermedades relacio-

nadas con el agua, agua turbia, olores desagradables y mal sabor del agua,

agotamiento del oxígeno disuelto y contaminación y mortandad de peces. Sin

embargo, la eutroficación produce algunos impactos positivos que pueden ser

importantes, tal como una mejor producción de plantas y peces. De hecho, en muchos



países, los peces y otros organismos acuáticos constituyen importantes fuentes de

alimentos.

La mayoría de las estrategias para el manejo de la eutroficación se han aplicado

en climas templados para economías altamente desarrolladas y deberán ser

modificadas para adecuarlas a otras regiones o a otras condiciones económicas. Por

ejemplo, mientras que en América del Norte y Europa la atención se centra en el

control de fósforo, en aguas tropicales el nitrógeno suele ser el factor limitante en

tanto que la importancia relativa del fósforo y del nitrógeno puede variar con el

tiempo. Por lo tanto, antes de emplear una estrategia de gestión en un lago o embalse

en particular se deberían evaluar sus condiciones específicas. Las variaciones en las

condiciones biológicas, químicas y físicas son características de los ecosistemas

acuáticos, estén o no alterados por las actividades humanas. Por consiguiente,

diferenciar la influencia de un proyecto de desarrollo de los cambios naturales puede

ser difícil. Por lo tanto, al evaluar las opciones de gestión es conveniente conocer

cómo funciona un lago o embalse a partir de datos descriptivos históricos, de

manipulaciones experimentales y de modelos integrados.

2.2.4.1- El rol de los sedimentos en la eutroficación.

Los sedimentos desempeñan un papel importante en el proceso de eutroficación

de lagos y embalses. Los lagos en los que se han implementado grandes controles al

ingreso de nutrientes pueden ver demorada su recuperación por los niveles de

nutrientes contenidos en sus sedimentos. El sedimento es material que se ha

acumulado por deposición en el agua. Virtualmente, todos los sedimentos están

compuestos por cantidades variables de materia orgánica, minerales, fragmentos de

rocas y carbonates y otros precipitados, como los óxidos de hierro, manganeso y

aluminio. El tamaño de las partículas del sedimento constituye la característica más

importante para comprender las interacciones sedimento-agua que llevan a la

eutroficación de lagos y embalses. Las fracciones por tamaño de partículas más

comúnmente usadas para caracterizar sedimentos son: fracción arcilla, con partículas



inferiores a 2 µm; fracción limo, cuyas partículas varían entre 2 µm y 63 µm ;

fracción arena, cuyas partículas varían entre 63 µm y 2,00 mm; y fracción grava, con

partículas mayores de 2,00 mm.

La fracción de tamaño de partícula más importante en la eutroficación es la

fracción arcilla, que consiste principalmente en minerales de arcilla y materia

orgánica. Algunos minerales de arcilla aparecen generalmente en la fracción limo. En

condiciones específicas en lagos y embalses, el hierro y el manganeso precipitan en la

superficie de las partículas de minerales de arcilla como hidróxidos. Este fenómeno

genera un revestimiento sobre las partículas. También es común el revestimiento de

las partículas de grano fino con materia orgánica. Los revestimientos brindan un sitio

fisicoquímico altamente activo tanto para la adsorción como para la liberación del

fósforo y de una amplia gama de metales traza y contaminantes orgánicos de baja

solubilidad. El revestimiento de hidróxido de hierro es de suma importancia por su

capacidad para adsorber fósforo.

2.2.4.2- Fuente y transporte de sedimentos.

Generalmente, el sedimento que ingresa a un lago o embalse proviene de ríos, de

la erosión costera, de la erosión bajo agua y de la deposición atmosférica. Los ríos

son normalmente la fuente de sedimentos más importante para un lago. Las

características físicas y químicas de los sedimentos reflejan la composición geológica

y geomorfológica de la cuenca. La modificación de la superficie terrestre por el

hombre -deforestación, agricultura intensiva y la cría de animales- tiene un gran

impacto que resulta en la exposición del suelo desnudo susceptible a erosión por aire

y agua. La erosión de las márgenes puede acelerarse en las regiones no protegidas y

el acceso de animales al curso de agua puede producir una mayor erosión de las

márgenes y la incorporación directa de desechos animales y elementos patógenos. La

urbanización de la cuenca reduce la superficie de terreno disponible para la

infiltración de las lluvias y del agua superficial, lo que a su vez se traduce en un

mayor escurrimiento con rápidos aumentos en el nivel del río debido a las



precipitaciones. En la mayoría de los sistemas fluviales el principal ingreso de

sedimentos totales a un lago o embalse ocurre durante un pequeño número de

tormentas.

Las partículas de tierra erosionadas por el viento pueden ser transportadas a

grandes distancias. Las partículas que se originan en actividad volcánica y son

emitidas a la atmósfera superior son transportadas por todo el mundo. Las partículas

de suelo provenientes de la atmósfera son de grano fino y pueden tener altas

concentraciones de carbono orgánico, fósforo, nitrógeno y micro-contaminantes

orgánicos derivados de herbicidas y pesticidas usados para fertilización y control de

plagas en la agricultura. Estos depósitos aerotransportados son las principales fuentes

de nutrientes en lagos remotos con poca urbanización y también son responsables de

la acumulación de contaminantes en partes remotas del planeta. El control de esta

fuente debe ser internacional y va más allá de las iniciativas locales y regionales para

controlar la eutroficación.

2.2.4.3- Nutrientes en sedimentos.

Los sedimentos juegan un importante papel en la acumulación y regeneración de

nutrientes. La materia orgánica producida por las algas en el lago se deposita en el

sedimento y se descompone por procesos aeróbicos y anaeróbicos durante los cuales

se producen diferentes compuestos de carbono, nitrógeno y fósforo. Además, la

materia orgánica en descomposición afecta los cambios en las concentraciones de

oxígeno y en el potencial redox y puede generar condiciones anóxicas en la interfaz

sedimento-agua. Esto, a su vez, afecta la liberación de nitrógeno y fósforo de los

sedimentos en el agua que se encuentra por encima de ellos. Uno de los procesos más

importantes, que se produce en condiciones anóxicas, es la solubilización de los

revestimientos de hidróxido de hierro y de manganeso que cubren partículas de

sedimentos de granulometría fina. En condiciones anóxicas, el hierro trivalente y el

manganeso tetravalente no solubles cambian a hierro y manganeso divalentes



solubles con una sustancial liberación de elementos y compuestos adsorbidos o co-

precipitados, particularmente fósforo.

2.2.4.4- Contaminantes en sedimentos.

Los contaminantes son diferentes elementos y compuestos orgánicos e

inorgánicos que son tóxicos para plantas y animales acuáticos. Se dividen en dos

amplias categorías: metales traza y micro-contaminantes orgánicos. Los segundos son

producidos por el hombre, son xenobióticos y consisten en una amplia gama de

compuestos que incluyen herbicidas, pesticidas, compuestos industriales y sus

metabolitos, los que en total representan muchos miles de otros compuestos. Los

elementos individuales y los compuestos pueden funcionar en forma simultánea, lo

cual puede ampliar o reducir su impacto en el medio ambiente.

La mayoría de los compuestos orgánicos persistentes son poco solubles en agua

(por ejemplo, los compuestos lipofílicoscos), son solubles en grasa y se bioacumulan

fácilmente en los tejidos grasos de los cuerpos de los animales. Esta característica se

incrementa por la bio-magnificación, que produce considerables aumentos en las

concentraciones de los organismos ubicados en la parte superior de la cadena trófica.

(International Environmental Technology Centre, 2001)

2.2.5- Factores limitantes.

Los suministros de luz y nutrientes determinan el crecimiento de algas y plantas

vasculares acuáticas. Por lo tanto, estos recursos pueden ser considerados factores

limitantes en el desarrollo de las plantas. Si bien un factor pocas veces limita en

forma consistente los crecimientos de plantas en las variadas e interactivas

condiciones imperantes en los ecosistemas acuáticos, el control dominante en un

determinado momento y lugar determinado a menudo se puede atribuir a un solo

factor.

La disponibilidad de luz juega un papel clave en el desarrollo de plantas acuáticas

sumergidas, vasculares, que generalmente son sus raíces y pueden acceder a los



sedimentos para obtener nutrientes. Por consiguiente, las aguas enturbiadas por

sedimentos en suspensión o por floraciones de algas o ensombrecidas por plantas

acuáticas flotantes no son propicias para las plantas vasculares acuáticas suspendidas.

En contraste, las plantas flotantes están bien posicionadas para recibir luz solar y

dependen del agua rica en nutrientes para obtener nitrógeno inorgánico y fósforo. La

abundancia de fitoplancton y la composición de las especies cambian en función de

las relaciones entre nutrientes aportados y condiciones de luz debajo del agua.

Algunas especies de cianobacterias – un grupo de alga cuyos miembros producen

condiciones nocivas – pueden regular la flotabilidad y a menudo se tornan habituales

a medida que la turbiedad aumenta. Aparentemente, ciertas diferencias sutiles en las

relaciones, tales como nitrógeno o fósforo pueden alterar las relaciones competitivas

entre las especies de algas. (International Environmental Technology Centre, 2001)

2.2.6- Clasificación de la Eutroficación.

Los lagos y embalses pueden clasificarse, en general, en ultraoligotróficos,

oligotróficos, mesotróficos (cuerpo de agua con un nivel intermedio de productividad,

mayor que el de un lago oligotrófico), eutróficos o hipereutrófico según la

concentración de nutrientes en el cuerpo de agua y/o según las manifestaciones

ecológicas de la carga de nutrientes.

En términos generales, los lagos y embalses oligotróficos se caracterizan por

bajos aportes de nutrientes y de productividad primaria, alta transparencia y biota

diversa. En contraste, las aguas eutróficas tienen altos aportes de nutrientes y

productividad primaria, baja transparencia y gran biomasa de pocas especies con una

mayor proporción de cianobacterias que las aguas oligotróficas.

Aunque las características fundamentales de la eutroficación en lagos y embalses

son similares, las diferencias en las formas de la cuenca y en los patrones de la

corriente pueden provocar variaciones longitudinales en el grado de eutroficación de

los embalses (Figura 2.3). Además, los requerimientos del suministro de agua y de

generación eléctrica suelen ocasionar grandes variaciones en el nivel de agua en los



embalses. Estos cambios de nivel usualmente exponen o inundan a las regiones del

litoral, lo que puede incrementar el aporte de nutrientes.

Es posible contrastar las características del estado trófico de muchos lagos

tropicales con las de los lagos en zonas templadas. En muchos lagos tropicales se

agota el oxígeno disuelto en el hipo-limnio independientemente de su estado trófico.

La mayor disponibilidad de luz y temperaturas más altas durante 'todo el año pueden

llevar a una menor variabilidad estacional en el desarrollo de floraciones de algas y a

un reciclaje más eficiente de nutrientes que en los lagos templados. Los crecimientos

prolíficos de plantas vasculares acuáticas pueden ser una circunstancia normal y no

una señal de que la eutroficación es de origen antrópico. (International Environmental

Technology Centre, 2001)

2.2.7- Efectos de la Eutroficación.

2.2.7.1- Floraciones de Algas.

Uno de los resultados generalizados del enriquecimiento de lagos con nutrientes

es un mayor crecimiento de algas. Las cianobacterias constituyen un grupo

especialmente problemático que puede alcanzar altas concentraciones, formar

antiestéticos aglomerados superficiales, agotar seriamente el oxígeno, producir

mortandad de peces y la muerte de ganado y otros animales debido a la ingesta de

toxinas algales. Las molestias gastrointestinales de los seres humanos pueden deberse

a que se bebe agua que contiene floraciones de cianobacterias. El contacto con el

agua o aún los aerosoles emitidos por floraciones de cianobacterias puede producir

reacciones alérgicas en algunas personas. Las cianobacterias y las especies

filamentosas de clorofilas, o algas verdes, pueden producir sabores y olores

desagradables en el agua y en los peces, así como obturación de filtros en las plantas

industriales o de tratamiento de aguas. Los dinoflagelados constituyen otro grupo de

interés que desarrolla las llamadas "mareas rojas", que pueden incluir cepas tóxicas.

Uno de los subproductos de las floraciones de algas densas es altas concentraciones

de carbono orgánico disuelto (COD). Cuando el agua con un alto contenido de (COD)



se desinfecta mediante cloración, se forman trihalometanos potencialmente

cancerígenos y mutagénicos.

• Cuenca angosta y

canalizada. • Flujo relativamente alto. • Alta concentración de

sólidos en suspensión;

escasa disponibilidad de

luz en profundidad. • Aporte de nutrientes por

advec-ción;niveles de

nutrientes relativamente

altos. • Productividad primaria

limitada por la luz. • Pérdidas de células

principalmente por

sedimentación. • Aporte de materia

orgánica, especialmente

alóctona. • Más eutrófica.

• Cuenca más ancha y

profunda. • Flujo reducido. • Sólidos en

suspensión reducidos;

disponibilidad de luz

en profundidad. • Aporte advectivo de

nutrientes reducido. « Productividad

primaria relativamente

alta. • Pérdidas de células

por sedimentación y

predación, • Intermedia. • Intermedia.

• Cuenca tipo lago, amplia

y profunda • Poco flujo • Relativamente clara;

mayor disponibilidad de

luz en profundidad • Aporte de nutrientes por

reciclaje a intervalos;

niveles de nutrientes relati-

vamente bajos • Productividad primaria

limitada por nutrientes • Pérdidas de células

principalmente por

predación • Aporte de materia

orgánica principalmente

autóctona • Más oligotrófica

Figura 2.3. Zonificación longitudinal en factores ambientales que controlan el estado trófico de los

embalses (en: Ryding and Rast, 1989). (International Environmental Technology Centre, 2001)



2.2.7.2- Toxinas Algales.

Las toxinas en el agua dulce son generadas casi exclusivamente por las

cianobacterias. Varios géneros y especies de cianobacterias producen diferentes

compuestos tóxicos clasificados generalmente como neurotoxinas, hepatotoxinas,

citotoxinas y endotoxinas. Aunque las neurotoxinas son muy tóxicas, en general su

degradación en la columna de agua es rápida. Sin embargo, las saxitoxinas son una

excepción ya que su descomposición requiere de varias semanas. Además, la

remoción de hepatotoxinas de los embalses que contienen cianobacterias tóxicas es

difícil porque algunas formas son estables y resistentes a la hidrólisis química u

oxidación y pueden persistir durante meses o años y permanecer potentes aún después

de ser sometidas a ebullición.

El alcaloide cilindro-espermopsina es considerado una citotoxina porque ataca las

células de todo el cuerpo. Se ha observado gastroenteritis, disfunción renal y hepatitis

en animales y en la población humana intoxicada con agua que contiene

cianobacterias con producción de cilindro-espermopsina. Las endotoxinas

lipopolisacáridas producen irritaciones de la piel y reacciones alérgicas en los tejidos

humanos y animales que entran en contacto con estos compuestos.

Varios factores ambientales, tales como luz, temperatura, concentración de

nutrientes, o pH, pueden influir en el grado de producción de toxinas, pero la

estructura genética de una floración parece ser el principal factor que determina su

toxicidad. Por lo general, casi la mitad de todas las floraciones analizadas es tóxica y

la aparición de floraciones tóxicas es cada vez más frecuente. El contenido de toxinas

es mayor en las células de cianobacterias en crecimiento activo y su liberación en el

agua parece ocurrir durante el período de envejecimiento, muerte y lisis de las

células.

2.2.7.3- Crecimiento de Plantas Acuáticas.

Densas matas de plantas acuáticas flotantes, tales como el jacinto de agua

(Eichhornia crassipes), el helécho acuático (Salvinia molesta) y el repollo del Nilo



(Pistia stratiotes), pueden cubrir grandes superficies cerca de la orilla y flotar en el

agua. Estas matas impiden que la luz llegue a las plantas vasculares sumergidas y al

fitoplancton y, a menudo, producen grandes cantidades de detrito orgánico que

pueden generar anoxia y emisión de gases, tales como metano y ácido sulfhídrico. El

material obtenido de estas plantas es generalmente de baja calidad nutricional y no es

un componente importante del alimento para el zooplancton o los peces. Las

acumulaciones de macrófitas acuáticas pueden restringir el acceso para actividades

pesqueras o usos recreativos de los lagos y embalses y pueden obstruir los canales de

riego y de navegación así como las tomas de las centrales hidroeléctricas.

2.2.7.4- Anoxia.

Uno de los subproductos del crecimiento abundante de algas y macrófitas

acuáticas es la generación de más materia orgánica. A medida que esta materia

orgánica se descompone en la columna de agua o en los sedimentos, la concentración

de oxígeno disuelto disminuye. En lagos poco profundos y cuando la producción de

plantas es grande se puede producir la completa desoxigenación de los sedimentos y

del agua más profunda. Tales condiciones no son compatibles con la supervivencia de

peces e invertebrados. Además, en condiciones anóxicas, las concentraciones de

amoníaco, hierro, manganeso y ácido sulfhídrico pueden crecer a niveles que son per-

judiciales para la biota y las centrales hidroeléctricas. Aún más, los sedimentos

anóxicos liberan al agua fosfato y amonio produciendo un mayor enriquecimiento del

lago.

2.2.7.5- Cambios en las Especies.

A menudo las variaciones en los ecosistemas producidas por la eutroficación

generan cambios en la abundancia y composición de las especies de organismos

acuáticos. La reducción de los niveles de luz bajo el agua debido a densas floraciones

de algas o a macrófitas flotantes puede disminuir o eliminar las macrófitas

sumergidas. Los cambios en la calidad de los alimentos asociados con cambios en la

composición de las algas o de las macrófitas acuáticas y las disminuciones en la



concentración de oxígeno a menudo alteran las especies de peces. Por ejemplo, pue-

den llegar a predominar las especies menos deseables, tal como la carpa. Sin

embargo, en algunas situaciones tales cambios pueden ser considerados beneficiosos.

2.2.7.6- Hipereutrofia.

Los lagos y embalses hipereutróficos representan la última etapa del proceso de

eutroficación. A diferencia de otros sistemas eutróficos, donde las reducciones en la

carga de nutrientes pueden revertir el proceso, esas medidas pocas veces son factibles

en los lagos hipereutróficos. Los sistemas hipereutróficos generalmente reciben

nutrientes provenientes de fuentes difusas o no-puntuales incontrolables, como son

los suelos excesivamente fertilizados o naturalmente ricos. Los lagos pueden verse

afectados por floraciones perjudiciales de cianobacterias, por episodios de colapsos

de floraciones de algas que provocan la muerte masiva de peces, por mortandad de

ganado por toxinas algales, por playas sucias y por usos recreativos. Sin embargo,

suponiendo que haya un saneamiento adecuado para minimizar los riesgos para la

salud, pueden ser parte integral del paisaje y brindar santuarios para aves y un

importante habitat acuático. Los lagos hipereutróficos de agua dulce existen en todo

el mundo y, si se los maneja correctamente, como ocurre en algunas partes de China,

pueden proporcionar bancos de pesca valiosos y muy productivos.

Hay varias características que diferencian los lagos hipereutróficos de otros

sistemas eutróficos. En primer lugar, la mayoría de los sistemas hipereutróficos son

poco profundos y no están estratificados, salvo por cortos períodos. Los sedimentos

se resuspenden periódicamente por la acción del viento. No gozan del beneficio del

almacenamiento a largo plazo de la materia orgánica acumulada en los sedimentos

profundos. En segundo lugar, la carga externa de nutrientes suele ser varios órdenes

de magnitud mayor que los niveles críticos de los lagos eutróficos poco profundos.

Frecuentemente, la carga externa ingresa al lago a través de muchas fuentes difusas

incontrolables y puede exceder la carga de las fuentes puntuales controlables. A

menudo se observan importantes aportes de fósforo y una deficiencia relativa de



nitrógeno, lo que da por resultado una relación nitrógeno: fósforo baja. Por último,

como resultado de la excesiva carga de nutrientes, el crecimiento de algas aumenta de

manera exponencial.

La figura 2.4 presenta tres patrones comunes de desarrollo de poblaciones

algales. El tipo 1 (oligotrófico a mesotrófico) es un sistema estable, donde el

crecimiento exponencial inicial se nivela con rapidez alcanzando el equilibrio con el

aporte de nutrientes. Este sistema es ecológicamente sustentable. El tipo 2 representa

un sistema eutrófico avanzado, que exhibe señales de inestabilidad a medida que

comienza a oscilar; puede sufrir una serie de floraciones parciales de algas. En esta

etapa el proceso de eutroficación puede ser detenido o revertido mediante controles

convencionales de nutrientes de fuentes puntuales. El tipo 3 corresponde a la última

etapa del desarrollo de floraciones, donde el aporte de nutrientes y/o energía se torna

inadecuado para sustentar la magnitud y los requerimientos fisiológicos de la

floración. En estas condiciones, la totalidad de la biomasa de algas (floración) colapsa

y muere. Este evento termina con un severo o total agotamiento de oxígeno

provocando una masiva mortandad de peces y de parte del zooplancton. El sistema es

inestable, no sustentable y no puede ser rehabilitado a menos que se tomen drásticas

medidas.

Figura 2.4. Patrón generalizado de crecimiento algal en 1: lagos oligotróficos a mesotróficos, 2: lagos

eutróficos y 3: lagos hipereutróficos que padecen de colapsos algales (modificado de Barica, 1993).

(International Environmental Technology Centre, 2001)



2.2.7.7- Aumento del Reciclaje Interno de Nutrientes.

Además de la carga externa de nutrientes proveniente de fuentes tanto puntuales

como difusas, la carga interna de nutrientes por regeneración con o sin oxígeno puede

ser significativa y llegar a exceder la carga externa. Este fenómeno se acelera en los

lagos poco profundos, donde las capas de agua anóxicas y ricas en nutrientes cerca

del fondo se mezclan con las capas superficiales. Una vez que un lago ha alcanzado

un estado eutrófico o hipereutrófico, su dependencia de las fuentes externas de

nutrientes disminuye. El lago puede funcionar como un sistema con retroalimentación

positiva en el cual los sedimentos hacen un aporte adecuado de nutrientes, aún

cuando se hayan reducido las fuentes externas.

2.2.7.8- Concentraciones Elevadas de Nitrato.

Altas concentraciones de nitrato debido a escurrimientos ricos en nitratos o a la

nitrificación del amonio dentro de un lago pueden generar problemas en la salud

pública. La presencia de metil-hemoglobinemia en los niños se debe a niveles de

nitrato superiores a los 10 mg/1 en el agua potable. Al interferir con la capacidad de

conducción de oxígeno de la sangre, los altos niveles de nitrato pueden generar una

deficiencia de oxígeno que pone en peligro la vida de las personas.

2.2.7.9- Mayor Producción Ictícola.

La producción ictícola tiende a aumentar a medida que se incrementa la

productividad primaria en los lagos, embalses y en los sistemas de acuicultura. Sobre

una amplia gama de valores, las relaciones entre productividad primaria y producción

de peces tienen forma logística (es decir, sigmoide). Por consiguiente, es probable

que se den mayores aumentos en la producción de peces con incrementos más

pequeños en productividad primaria en aguas oligotróficas o mesotróficas que en los

sistemas eutróficos. Sin embargo, el agotamiento de oxígeno o los elevados niveles

de pH y amonio en condiciones hipereutróficas puede generar mengua en la

producción de peces a medida que la productividad primaria aumenta. Suponiendo

que la producción de peces mejore, sean comestibles y comercializables, el aumento



en productividad primaria frecuentemente relacionada con el enriquecimiento con

nutrientes puede tener un resultado positivo.

2.2.7.10- Reúso de Nutrientes.

La acuicultura de peces está bien establecida en muchas partes del mundo y

puede ser una forma efectiva de obtener un beneficio de los nutrientes que causan

eutroficación. La biomasa de peces en un sistema de acuicultura puede cubrir una

gran porción de nutrientes compactados (atrapados en los cuerpos de peces) que se

pueden comercializar. Aunque hay pocos ejemplos de que la cosecha de peces

reduzca los niveles de eutroficación, si hay mercados para los peces más comunes de

los sistemas eutróficos, entonces el enfoque ofrece una posibilidad de reúso de

nutrientes que puede mejorar la calidad del agua.

El fitoplancton y las macrófitas acuáticas flotantes (plantas superiores, algas,

musgos y briofitas macroscópicas), adaptadas a la vida en el medio acuático pueden

ser muy efectivos para la fijación de nutrientes y son capaces de reducir las

concentraciones de nutrientes inorgánicos disueltos a niveles muy bajos. Por

consiguiente, si las plantas son luego removidas del agua por floculación o cosecha,

las mismas pueden funcionar en el tratamiento terciario de aguas residuales de origen

municipal o como fuentes de materia orgánica para la generación de gas o incluso

para la producción de alimentos. Sin embargo, es necesario desarrollar aún más la

tecnología y los mercados requeridos.

2.2.7.11- Interacciones Nutriente-Acidificación.

Los lagos que se han acidificado por contaminantes transmitidos por el aire

generalmente son de baja productividad biológica, pero a menudo contienen nitrato

que la atmósfera emite como ácido nítrico. Si se añade fosfato, es posible generar una

base suficiente por una mejor asimilación del nitrato para aumentar el pH. Es

probable que cada molécula de fosfato agregada genere 16 moléculas de base como

resultado de la asimilación de nitratos. Por lo tanto, solo se requieren de modestos



agregados de fosfato para aumentar el pH y es poco probable que el crecimiento del

fitoplancton sea excesivo -pero la productividad sí aumenta.

2.2.7.12- Interacciones de Nutriente-Contaminante.

En muchos lagos y embalses los contaminantes tóxicos (algunos metales y

compuestos orgánicos) se han convertido en un problema significativo. Se ha

descubierto que cientos de productos químicos industriales son tóxicos para los

organismos. Las sustancias tóxicas dispersas y persistentes incluyen a los cloruros de

bifenilos (PCBs), DDT y sus metabolitos, dieldrin, toxafeno, dioxina (2,3,7,8-

TCDD), furano (2,3,7,8-TCDF), mirex, hexaclorobenceno (HCB), mercurio, alquil de

plomo y benzopireno. Estos compuestos tienden a bioacumularse en los organismos,

a biomagnificarse en las cadenas tróficas y a persistir durante largos períodos en el

ambiente acuático. Provocan una toxicidad aguda subcrónica o crónica,

carcinogenicidad, mutagénesis y efectos reproductores (por ejemplo, teratogenicidad ,

inmunotoxicidad y efectos en el comportamiento).

Puede haber interacciones entre la eutroficación y los impactos de contaminantes

tóxicos. Por consiguiente, los impactos negativos de la eutroficación pueden

mitigarse, al menos parcialmente mediante menores impactos de los contaminantes

tóxicos. Se recomienda realizar un análisis más profundo de las interacciones

nutrientes-contaminantes a fin de determinar los beneficios netos. (International

Environmental Technology Centre, 2001)

2.2.8- Sólidos Suspendidos Totales.

Son partículas sólidas pequeñas, inmersas en un fluido en flujo turbulento que

actúa sobre la partícula con fuerzas en direcciones aleatorias, que contrarrestan la

fuerza de la gravedad, impidiendo así que el sólido se deposite en el fondo. Los

factores que influyen para que una partícula no se decante en el fondo son:

• Tamaño, densidad y forma de la partícula;



• Velocidad del agua. (International Environmental Technology Centre,

2001)

2.2.9- Sifón.

El sifón es una conducción cerrada que se eleva sobre su gradiente hidráulico

para bajar después (fig. 2.5); y llamaremos sifón invertido a la parte de tubería que

baje para después subir de nuevo. Se emplean los sifones ordinarios para salvar

determinados obstáculos elevados sobre el terreno, y los invertidos para el tendido de

una conducción cerrada a través de un valle o depresión análoga.

El factor que limita la posibilidad de empleo del sifón, es decir, que limita el paso

del líquido por el mismo, es la carga, negativa bB (fig.2.5); mientras ésta no se

aproxime demasiado a la máxima carga negativa posible, se tendrá un gradiente

hidráulico normal a Be (I), como si el tubo hubiera atravesado en línea recta el

obstáculo; pero si el nivel del agua en el depósito o embalse inferior va bajando cada

vez más, el gasto aumentará hasta que se llegue en b a la carga negativa límite.

Por esta razón es imposible bajar más la posición del punto B (figura 2.5), o hacer

que aumente la cantidad de agua que pasa por el sifón; el aumento creciente de la

caída de carga total h2, producirá una especie de escalón en el gradiente hidráulico B

B1C; la parte bb1 del tubo funciona como una conducción abierta, es decir, como un

canal, dependiendo, así, el gasto de la pendiente de aB, o de B1C.

Antes de que el agua corra por todo el sifón, hay que cebar el tubo, extrayendo el

aire de su interior por medio de una bomba o de un aspirador montado en el punto

más alto b.



Figura 2.5. Tuberías en forma de sifón. (Herbert, 1956)

Cuando el sifón está ya funcionando, el aire disuelto en el agua y desprendido de

la misma por efecto de la baja presión, tiende a acumularse en b, por lo cual hay que

extraerlo periódicamente. Si un sifón de pequeño diámetro trabaja con una carga lo

bastante grande para producir una velocidad muy elevada, las burbujas de aire son

arrastradas por la corriente hasta la rama descendente, sin posibilidad de acumularse

en b. De no ser así, la fórmula siguiente da una idea aproximada de la cantidad q de

aire, en metros cúbicos, que hay que extraer a cada 24 horas:

9,54QHq = (2.1)

donde Q es el volumen total o capacidad en metros cúbicos dé la parte de tubo que

hay sobre el gradiente hidráulico, y H es la carga negativa media, en metros, en esta

parte del tubo.

En el sifón invertido (figura 2.6), lo esencial es que el tubo tenga la resistencia

suficiente para soportar la carga máxima estática h. El sifón representado en esta

figura, compuesto de varios tubos montados en paralelo, es de la clase tan empleada

en el paso del agua de un canal por debajo del lecho de otro canal. El diámetro de los



tubos debe calcularse de modo, que la pérdida total de carga, o sea la diferencia entre

los niveles del agua en los vasos de entrada y de salida, se mantenga dentro de ciertos

límites. (Herbert, 1956)

Figura 2.6. Disposición de un sifón invertido (Herbert, 1956)

2.2.10- Densidad y Gravedad Específica.

La densidad se define como masa por unidad de volumen. Es decir,

vm

=ρ (kg/m3) (2.2)

El recíproco de la densidad es el volumen específico v, el cual se define como

volumen por unidad de masa. Es decir, v = V/m = 1/ρ. Para un elemento diferencial

de volumen de masa δm y volumen δV, la densidad se puede expresar como p =

δm/δV.

En general, la densidad de una sustancia depende de la temperatura y de la

presión. La densidad de la mayoría de los gases es proporcional a la presión e

inversamente proporcional a la temperatura. Por otro lado, los líquidos y sólidos en

esencia son sustancias incompresibles y la variación de su densidad con la presión

suele ser despreciable. Por ejemplo, a 20°C, la densidad del agua cambia de 998

kg/m3 a 1 atm a 1 003 kg/m3 a 100 atm, un cambio de sólo 0.5 por ciento, lo cual

todavía se puede despreciar en muchos análisis de ingeniería.

A veces, la densidad de una sustancia se da en relación con la densidad de una

sustancia conocida plenamente; entonces se le llama gravedad específica o densidad

relativa, y se define como la razón de la densidad de una sustancia a la densidad de



alguna sustancia estándar, a una temperatura especificada (por lo general, agua a

4°C, para la cual pH o = 1 000 kg/m3). Esto es,

O2H

GEρ

ρ= (2.3)

Nótese que la gravedad específica de una sustancia es una cantidad adimensional.

Sin embargo, en unidades SI, el valor numérico de la gravedad específica de una

sustancia es exactamente igual a su densidad en g/cm3 o kg/L (o 0.001 multiplicado

por la densidad en kg/m3) ya que la densidad del agua a 4°C es 1 g/cm3 = 1 kg/L = 1

000 kg/m3. Por ejemplo, la gravedad específica del mercurio a 0°C es 13.6; por lo

tanto, su densidad a 0° C es 13.6 g/cm3 = 13.6 kg/L = 13 600 kg/m3. El peso de una

unidad de volumen de una sustancia se llama peso específico y se expresa como:

g.s ρ=γ (N/m3), (2.4)

donde g es la aceleración gravitacional.

Las densidades de los líquidos son en esencia contantes y a menudo se pueden a

tomar de manera aproximada como si fueran sustancias incompresibles durante la

mayoría de los procesos, sin mucho sacrificio en la exactitud. (Cengel, Y. Cimbala,

J., 2006)

2.2.11- Presión de vapor y cavitación.

Está adecuadamente establecido que la temperatura y la presión son propiedades

dependientes para las sustancias puras durante los procesos de cambio de fase y existe

una correspondencia uno a uno entre esas propiedades. A una presión determinada, la

temperatura a la cual una sustancia pura cambia de fase se conoce como temperatura

de saturación Tsat. De manera semejante, a una temperatura dada, la presión a la cual

una sustancia pura cambia de fase se llama presión de saturación Psat. Por ejemplo, a

una presión absoluta de 1 atmósfera estándar (1 atm o 101.325 kPa), la temperatura

de saturación del agua es de 100°C. Inversamente, a una temperatura de 100°C, la

presión de saturación del agua es de 1 atm.



La presión de vapor Pv de una sustancia pura se define como la presión ejercida

por su vapor en equilibrio de fases con su líquido a una temperatura dada. Pv es una

propiedad de la sustancia pura y resulta ser idéntica a la presión de saturación Psat del

líquido (Pv = Psat). Se debe tener cuidado en no confundir la presión de vapor con la

presión parcial. La presión parcial se define como la presión de un gas o vapor en

una mezcla con otros gases. Por ejemplo, el aire atmosférico es una mezcla de aire

seco y vapor de agua, y la presión atmosférica es la suma de la presión parcial del aire

seco y la presión parcial del vapor de agua. La presión parcial del vapor de agua

constituye una fracción pequeña (por lo general, menor de 3 por ciento) de la presión

atmosférica, ya que el aire es en su mayor parte nitrógeno y oxígeno. La presión

parcial de un vapor debe ser menor que la presión de vapor, o igual a ésta, si no

hubiera líquido presente. Sin embargo, cuando están presentes tanto el vapor y el

líquido y el sistema está en equilibrio de fases, la presión parcial del vapor debe ser

igual a la presión de vapor y se dice que el sistema está saturado. La rapidez de la

evaporación desde masas abiertas de agua, como los lagos, es controlada por la

diferencia entre la presión de vapor y la presión parcial. Por ejemplo, la presión de

vapor del agua a 20°C es de 2.34 kPa; por lo tanto, un cubo de agua a 20°C que se

deje en un cuarto con aire seco a 1 atm continuará evaporándose hasta que suceda una

de dos cosas: el agua se evapora por completo (no hay suficiente agua como para

establecer el equilibrio de fases en el cuarto), o la evaporación se detiene cuando la

presión parcial del vapor de agua en el cuarto se eleva hasta 2.34 kPa, punto en el que

se establece el equilibrio de fases.

Para procesos de cambio de fase entre las fases líquidas y de vapor de una sus-

tancia pura, la presión de saturación y la de vapor son equivalentes, ya que el vapor es

puro. Nótese que el valor de la presión sería el mismo si se mide en la fase de vapor o

en la líquida (siempre que se mida en un lugar cercano a la interfaz líquido-vapor, con

la finalidad de evitar los efectos hidrostáticos). La presión de vapor aumenta con la

temperatura. Por lo tanto, una sustancia a temperaturas más altas hierve a presiones



más elevadas. Por ejemplo, el agua hierve a 134°C en una olla a presión que opera a

una presión absoluta de 3 atm, pero hierve a 93 °C en una cacerola común a una

elevación de 2 000 m, en donde la presión atmosférica es de 0.8 atm.

La razón del interés en la presión de vapor es la posibilidad de caída de la presión

del líquido, en los sistemas de flujo de líquidos, por abajo de la presión de vapor en

algunos lugares y la vaporización resultante no planeada. Por ejemplo, el agua a 10°C

se evaporará de manera instantánea y formará burbujas en los lugares (como las

regiones de las puntas o los lados de succión de las aspas de las bombas) donde la

presión cae por abajo de 1.23 kPa. Las burbujas de vapor (llamadas burbujas de

cavitación debido a que forman "cavidades" en el líquido) se desintegran conforme

son barridas hacia fuera de las regiones de baja presión, con lo que se generan ondas

de alta presión extremadamente destructivas. Este fenómeno, que es causa común de

caída en el rendimiento e inclusive de la erosión de las aspas del impulsor, se llama

cavitación, y constituye una consideración importante en el diseño de las turbinas y

bombas hidráulicas.

La cavitación debe evitarse (o al menos minimizarse) en los sistemas de flujo,

porque reduce el rendimiento, genera vibraciones y ruido molestos, y daña al equipo.

Las puntas de presión resultantes del gran número de burbujas que se desintegran

cerca de la superficie sólida durante un periodo largo pueden causar erosión, picadura

de la superficie, falla por fatiga y la destrucción eventual de los componentes o la

maquinaria. Se puede detectar la presencia de la cavitación en un sistema de flujo por

su sonido característico de traquetear. (Cengel, Y. Cimbala, J., 2006)

2.2.12- La Ecuación de Bernoulli.

Es una relación aproximada entre la presión, la velocidad y la elevación, y es

válida en regiones de flujo estacionario e incompresible en donde las fuerzas netas de

fricción son despreciables (figura 2.7). Pese a su simplicidad la ecuación de Bernoulli

demostró que es un instrumento muy potente en mecánica de fluidos.



La aproximación clave en la deducción de la ecuación de Bernoulli es que los

efectos viscosos son despreciablemente pequeños en comparación con los efectos de

inercia, gravitacionales y de la presión. Puesto que todos los fluidos tienen viscosidad

(no existe un "fluido no viscoso"), esta aproximación no puede ser válida para todo

un campo de flujo de interés práctico. En otras palabras, no se puede aplicar la

ecuación de Bernoulli en todas partes en un flujo, sin importar qué pequeña sea la

viscosidad del fluido. Sin embargo, resulta que la aproximación es razonable en

ciertas regiones de muchos flujos prácticos. Se hará referencia a esas regiones como

regiones no viscosas del flujo y se enfatiza que no son regiones en donde el propio

fluido es no viscoso o sin fricción sino, más bien, que son regiones en donde las

fuerzas viscosas o de fricción netas son despreciablemente pequeñas en comparación

con las otras fuerzas que actúan sobre las partículas del fluido.

Debe tenerse cuidado cuando se utiliza la ecuación de Bernoulli, porque es una

aproximación que sólo se aplica a las regiones no viscosas del flujo. En general, los

efectos de la fricción siempre son importantes muy cerca de las paredes sólidas

(capas límite) y directamente corriente abajo de los cuerpos (estelas). Por tanto, la

aproximación de Bernoulli es útil por lo general en regiones del flujo por fuera de las

capas límite y estelas, en donde el movimiento del fluido lo rigen los efectos

combinados de la presión y la gravedad.

El movimiento de una partícula y la trayectoria que sigue se describen por el

vector velocidad, como función del tiempo y las coordenadas espaciales, así como de

la posición inicial de la partícula. Cuando el flujo es estacionario (ningún cambio con

el tiempo en un lugar especificado), todas las partículas que pasan por el mismo punto

siguen la misma trayectoria (la cual es la línea de corriente) y los vectores de

velocidad permanecen tangentes a la trayectoria en todo punto.



Figura 2.7. Capas límites y de las estelas. (Cengel, Y. Cimbala, J., 2006)

2.2.12.1- Deducción de la ecuación de Bernoulli.

Considere el movimiento de una partícula de fluido en un campo de flujo esta-

cionario. Cuando se aplica la segunda ley de Newton (la cual se menciona como la

relación de conservación del momento lineal en la mecánica de fluidos) en la

dirección s, sobre una partícula en movimiento a lo largo de una línea de corriente da:

sS maF =Σ (2.5)

En regiones del flujo en donde las fuerzas netas de fricción son despreciables, las

fuerzas significativas que actúan en la dirección s son la presión (que actúa obre

ambos lados) y la componente del peso de la partícula en la dirección s (figura 2.8).

Por lo tanto, la ecuación queda:

Figura 2.8. Fuerzas que actúan sobre una partícula de fluido a lo largo de una línea de corriente



dsdVmVsenwdAdPPPda =−+− )()( θ

(2.6)

donde θ es el ángulo entre la normal a la línea de corriente y el eje vertical z en ese

punto, m = ρV = ρ dA ds es la masa, W = mg = pg dA ds es el peso de la articula de

fluido y sen θ = dz/ds. Se sustituye:

-dP dA-ρg dA ds dsdz =ρ dA ds V

dsdV

(2.7)

Cuando se cancela dA de cada término y se simplifica,

VdVdzgdP ρρ =−− )( (2.8)

se nota que V dV = 21 d(V2) y si divide cada término entre ρ da

0)()(21 2 =++ dzgVddP

ρ (2.9)

Flujo Estacionario: ∫ ++ gzVdP

2

2

ρ (constante a lo largo de una línea)

Ya que los dos últimos términos son diferenciales exactas. En el caso del flujo

incomprensible, el primer término también se convierte en una diferencial exacta y su

integración da:

Flujo estacionario e incompresible:

�� +

��

2 + �� = �� (� �� )

(2.10)

Ésta es la famosa ecuación de Bernoulli, la cual es de uso común en mecánica de

fluidos para el flujo estacionario e incompresible, a lo largo de una línea de corriente,

en las regiones no viscosas del flujo. El valor de la constante puede evaluarse en

cualquier punto de la línea de corriente en donde se conozcan la presión, densidad,



velocidad y elevación. La ecuación de Bernoulli también puede escribirse entre dos

puntos cualesquiera sobre la misma línea de corriente como:

Flujo estacionario e incompresible:

��

� +��

�

2 + �� =��

� +��

�

2 + ��

(2.11)

2.2.12.2- Limitaciones en el uso de la ecuación de Bernoulli.

• Flujo estacionario La primera limitación de la ecuación de Bernoulli

consiste en que es aplicable al flujo estacionario. Por lo tanto debe usarse

durante los periodos de arranque y de paro, o durante los periodos de cambio

en las condiciones de flujo. Note que existe una forma no estacionaria de la

ecuación de Bernoulli.

• Flujo sin fricción En todo flujo interviene algo de fricción, sin importar qué

tan pequeña sea, y los efectos de la fricción pueden ser despreciables, o no. La

situación se complica aún más por la magnitud del error que puede tolerarse.

En general, los efectos de la fricción son despreciables para secciones cortas

del flujo, con secciones transversales grandes, en especial con velocidades

bajas del flujo. Los efectos de la fricción suelen ser importantes en pasos

largos y angostos del flujo, en la región de la estela comente abajo de un

objeto y en las secciones de flujo divergente, como los difusores, debido a la

mayor posibilidad de que el fluido se separe de las paredes en esas

configuraciones geométricas. Los efectos de la fricción también son

significativos cerca de las superficies sólidas y, por tanto, la ecuación de

Bernoulli suele ser aplicable a lo largo de una línea de comente en la región

del núcleo del flujo, pero no a lo largo de la línea de corriente cercana a la

superficie. Un accesorio que perturbe la estructura de líneas de corriente del

flujo y, en consecuencia, cause una mezcla y un contraflujo considerables,

como una entrada aguda de un tubo, o una válvula parcialmente cerrada en



una sección del flujo pueden hacer que la ecuación de Bernoulli no pueda

aplicarse.

• Ningún trabajo en la flecha La ecuación de Bernoulli se dedujo basándose

en un balance de fuerzas sobre una partícula en movimiento a lo largo de una

línea de corriente. Por lo tanto, esta ecuación no se aplica en una sección del

flujo en el que intervenga una bomba, una turbina, un ventilador o cualquier

otra máquina o impulsor, ya que estos aparatos destruyen las líneas de

corriente y llevan a cabo interacciones de energía con las partículas del fluido.

Cuando la sección considerada del flujo incluye cualquier a de estos aparatos,

debe usarse la ecuación de la energía para tomar en cuenta la entrada o salida

de trabajo en la flecha. Sin embargo, puede aplicarse la ecuación de Bernoulli

a una sección del flujo antes o después de pasar por una máquina (en el

supuesto, claro, que se satisfacen las otras restricciones referentes a su uso).

En esos casos, la constante de Bernoulli cambia de corriente arriba a corriente

abajo del dispositivo.

• Flujo incompresible Una de las hipótesis establecidas en la deducción de la

ecuación de Bernoulli es que p = constante y, por tanto, el flujo es

incompresible. Esta condición la satisfacen los líquidos y también los gases

con números de Mach menores a 0.3, en virtud de que los efectos de la

compresibilidad y, por lo tanto, las variaciones de la densidad de los gases son

despreciables a esas velocidades relativamente bajas. Note que existe una

forma compresible de la ecuación de Bernoulli.

• Ninguna transferencia de calor La densidad de un gas es inversamente

proporcional a la temperatura y no debe usarse la ecuación de Bernoulli para

las secciones del flujo en el que se tenga un cambio significativo en la

temperatura, como las secciones de calentamiento o enfriamiento.

• Flujo a lo largo de una línea de corriente Es decir, la ecuación de

Bernoulli, P/p + V2/2 + gz = C es aplicable a lo largo de una línea de



corriente y, en general, el valor de la constante C es diferente para distintas

líneas de corriente. Pero cuando una región del flujo es irrotacional y, en

consecuencia, no hay vorticidad en el campo de flujo, el valor de la constante

C continúa siendo el mismo para todas las líneas de corriente y, por lo tanto,

la ecuación de Bernoulli se vuelve también aplicable a través de esas líneas de

corriente. Por lo tanto, no es necesario preocuparse por las líneas de corriente

cuando el flujo es irrotacional y puede aplicarse la ecuación de Bernoulli entre

dos puntos cualesquiera en la región irrotacional del flujo. (Cengel, Y.

Cimbala, J., 2006)

2.2.13- Numero de Reynolds.

La transición de flujo laminar a turbulento depende de la geometría, la rugosidad

de la superficie, la velocidad del flujo, la temperatura de la superficie y el tipo de

fluido, entre otros factores. Después de experimentos exhaustivos en los años de

1880, Osborne Reynolds descubrió que el régimen de flujo depende principalmente

de la razón de fuerzas inerciales a fuerzas viscosas en el fluido. Esta razón se llama

número de Reynolds y se expresa para flujo interno en una tubería circular como:

�� =�� =

�� v =

�� 2.21�

donde, Vprom = velocidad de flujo promedio (m/s), D = longitud característica de la

geometría (diámetro en este caso, en m), y v = µ/p = viscosidad cinemática del fluido

(m2/s). Note que el número de Reynolds es una cantidad adimensional. Además, la

viscosidad cinemática tiene la unidad m2/s y se puede ver como difusividad viscosa o

difusividad de cantidad de movimiento.

A números grandes de Reynolds, las fuerzas inerciales, que son proporcionales a

la densidad del fluido y al cuadrado de la velocidad del fluido, son grandes en

relación con las fuerzas viscosas y por lo tanto las fuerzas viscosas no pueden evitar

las aleatorias y rápidas fluctuaciones del fluido. Sin embargo, a números de Reynolds



pequeños o moderados, las fuerzas viscosas son lo suficientemente grandes como

para suprimir dichas fluctuaciones y mantener al fluido "en línea". Por lo tanto el

flujo es turbulento en el primer caso y laminar en el segundo.

El número de Reynolds en donde el flujo se vuelve turbulento se llama número

de Reynolds crítico, Recr. El valor del número de Reynolds crítico es diferente para

geometrías y condiciones de flujo distintas. Para flujo interno en una tubería circular,

el valor generalmente aceptado del número de Reynolds crítico es Recr = 2 300.

Para flujo a través de tuberías no-circulares, el número de Reynolds se basa en el

diámetro hidráulico Dh que se define como

�� =4��

� (2.22)

donde, Ac es el área de sección transversal de la tubería y p es su perímetro húmedo.

El diámetro hidráulico se define de modo que se reduce a diámetro común D para

tuberías circulares:

�� =4��

� = 4(��

4 )�� = � (2.23)

Es deseable tener valores precisos de números de Reynolds para flujos laminar,

transicional y turbulento, pero éste no es el caso en la práctica. Es evidente que la

transición de flujo laminar a turbulento también depende del grado de perturbación

del flujo por la rugosidad de la superficie, las vibraciones de la tubería y las,

fluctuaciones en el flujo. En la mayoría de las condiciones prácticas, el flujo en una

tubería circular es laminar para Re ≤ 2 300, turbulento para Re ≥ 4 000, y transicional

entre ellos. Es decir

Re ≤ 2300 flujo laminar

2300 ≤ Re ≤ 4000 flujo transicional

Re ≥ 4000 flujo turbulento



En el flujo transicional, el flujo cambia entre laminar y turbulento de manera

aleatoria. Se debe tener en mente que el flujo laminar se puede mantener en números

de Reynolds mucho más altos en tuberías muy lisas cuando se evitan las

perturbaciones de flujo y las vibraciones de tubería. (Cengel, Y. Cimbala, J., 2006)

2.2.14- Calculo de pérdida de carga en tubería.

La pérdida de carga que tiene lugar en una conducción representa la pérdida de

energía de un flujo hidráulico a lo largo de la misma por efecto del rozamiento.

A continuación se resumen las principales fórmulas empíricas empleadas en el

cálculo de la pérdida de carga que tiene lugar en tuberías:

2.2.14.1- Darcy-Weisbach (1875)

Una de las fórmulas más exactas para cálculos hidráulicos es la de

Darcy-Weisbach. Sin embargo por su complejidad en el cálculo del coeficiente "f" de

fricción ha caído en desuso. Aún así, se puede utilizar para el cálculo de la pérdida de

carga en tuberías de fundición. La fórmula original es:

g.2V.

DL.fh

2

=

(2.12)

En función del caudal la expresión queda de la siguiente forma:

DQ.L.f.0826,0h

2

=

(2.13)

En donde:

• h: pérdida de carga o de energía (m)

• f: coeficiente de fricción (adimensional)

• L: longitud de la tubería (m)

• D: diámetro interno de la tubería (m)

• v: velocidad media (m/s)



• g: aceleración de la gravedad (m/s2)

• Q: caudal (m3/s)

El coeficiente de fricción f es función del número de Reynolds (Re) y del

coeficiente de rugosidad o rugosidad relativa de las paredes de la tubería (εr):

f = f (Re, εr) (2.14)

Re = D · v · ρ / μ (2.15)

εr = ε / D (2.16)

• ρ: densidad del agua (kg/m3).

• μ: viscosidad del agua (N·s/m2).

• ε: rugosidad absoluta de la tubería (m)

En la tabla 2.1 se muestran algunos valores de rugosidad absoluta para distintos

materiales.

Para el cálculo de "f" existen múltiples ecuaciones, a continuación se exponen las

más importantes para el cálculo de tuberías:

Blasius (1911). Propone una expresión en la que "f" viene dado en función del

Reynolds, válida para tubos lisos, en los que εr no afecta al flujo al tapar la subcapa

laminar las irregularidades. Válida hasta Re < 100000:

25,0Re.3164,0f −=

(2.17)

Prandtl y Von-Karman (1930). Amplían el rango de validez de la fórmula de

Blasius para tubos lisos:

−=

fRe51,2log.2

f1

(2.18)

Nikuradse (1933) propone una ecuación válida para tuberías rugosas:



ε−=

D.71,3log.2

f1

(2.19)

Tabla 2.1. Rugosidad Absoluta vs Material

Material ε (mm) Material ε (mm)

Plástico (PE, PVC) 0,0015 Fundición asfaltada 0,06-0,18

Poliéster reforzado con

fibra de vidrio 0,01 Fundición 0,12-0,60

Tubos estirados de acero 0,0024 Acero comercial y soldado 0,03-0,09

Tubos de latón o cobre 0,0015 Hierro forjado 0,03-0,09

Fundición revestida de

cemento 0,0024 Hierro galvanizado 0,06-0,24

Fundición con

revestimiento bituminoso 0,0024 Madera 0,18-0,90

Fundición centrifugada 0,003 Hormigón 0,3-3,0

Fuente: (Miliarium Ingeniería Civil y Medio Ambiente, 2011)

Colebrook-White (1939) agrupan las dos expresiones anteriores en una sola, que

es además válida para todo tipo de flujos y rugosidades. Es la más exacta y universal,

pero el problema radica en su complejidad y en que requiere de iteraciones:

+

ε−=

f.Re51,2

D.71,3log.2

f1 (2.20)

Moody (1944) consiguió representar la expresión de Colebrook-White en un

ábaco de fácil manejo para calcular "f" en función del número de Reynolds (Re) y

actuando la rugosidad relativa (εr) como parámetro diferenciador de las curvas (ver

anexos, figura 1.3)



2.2.14.2- Pérdida de carga en singularidades.

Además de las pérdidas de carga por rozamiento, se producen otro tipo de

pérdidas que se originan en puntos singulares de las tuberías (cambios de dirección,

codos, juntas...) y que se deben a fenómenos de turbulencia. La suma de estas

pérdidas de carga accidentales o localizadas más las pérdidas por rozamiento dan las

pérdidas de carga totales.

Salvo casos excepcionales, las pérdidas de carga localizadas sólo se pueden

determinar de forma experimental, y puesto que son debidas a una disipación de

energía motivada por las turbulencias, pueden expresarse en función de la altura

cinética corregida mediante un coeficiente empírico (K):

=

gVKh2

2

(2.21)

En donde:

• h: pérdida de carga o de energía (m)

• K: coeficiente empírico (adimensional)

• v: velocidad media del flujo (m/s)

• g: aceleración de la gravedad (m/s2)

El coeficiente "K" depende del tipo de singularidad y de la velocidad media en el

interior de la tubería. En la siguiente tabla se resumen los valores aproximados de "K"

para cálculos rápidos: (Miliarium Ingeniería Civil y Medio Ambiente, 2011)



Tabla 2.2 Coeficiente de K en pérdidas singulares

VALORES DEL COEFICIENTE K EN PÉRDIDAS SINGULARES

Accidente K L/D

Válvula esférica (totalmente abierta) 10 350

Válvula en ángulo recto (totalmente abierta) 5 175

Válvula de seguridad (totalmente abierta) 2,5 -

Válvula de retención (totalmente abierta) 2 135

Válvula de compuerta (totalmente abierta) 0,2 13

Válvula de compuerta (abierta 3/4) 1,15 35

Válvula de compuerta (abierta 1/2) 5,6 160

Válvula de compuerta (abierta 1/4) 24 900

Válvula de mariposa (totalmente abierta) - 40

T por salida lateral 1,80 67

Codo a 90º de radio corto (con bridas) 0,90 32

Codo a 90º de radio normal (con bridas) 0,75 27

Codo a 90º de radio grande (con bridas) 0,60 20

Codo a 45º de radio corto (con bridas) 0,45 -

Codo a 45º de radio normal (con bridas) 0,40 -

Codo a 45º de radio grande (con bridas) 0,35 -

Fuente: (Miliarium Ingeniería Civil y Medio Ambiente, 2011)


CAPÍTULO 3

MMeettooddoollooggííaa

En este se da a conocer los procedimientos necesarios para lograr el

cumplimiento de los objetivos planteados es esta investigación, y las acciones

necesarias para su elaboración.

3.1- Nivel de la investigación.

Según J. Hurtado, SYPAL; la investigación se centró en la modalidad de

proyecto factible, ya que se trata de una propuesta. Consiste en la investigación,

diseño y desarrollo de métodos para seleccionar un sistema operativo, viable, para

extraer sedimentos no específicos en embalses eutroficados, productos propios de este

tipo de dinámica

Los objetivos de este trabajo y el nivel de conocimiento obtenidos sobre lo

planteado, se presenta a través de una investigación desde el nivel exploratorio, hasta

el nivel proyectivo, pero abordándola de una manera integral, es decir, cubriendo

niveles descriptivos, comparativos, analíticos, explicativos, de diagnostico, y

propuestas de modificación con sus respectivas factibilidades, ya que se busco el por

qué de los hechos, mediante el establecimiento de relaciones causa – efecto.

Describiendo y caracterizando un hecho con el fin de establecer su estructura o


comportamiento, donde existen sinergias actuantes que han deteriorado la calidad del

agua del embalse, por tanto, fue necesario desarrollar en la investigación los

conocimientos básicos sobre que explorar en el tema escogido, para tener un factor de

realidad que aproximara elementos ya propios del diagnostico, generador de

alternativas de solución para seleccionar una propuesta factible.

3.2- Diseño de la investigación.

En esta investigación se utilizó, para responder al problema planteado, en primera

instancia, una revisión documental para tener una comprensión de la situación a

estudiar, seguidamente de una estrategia de investigación de campo, con el fin de

recaudar la información necesaria en el propio escenario de los hechos, y lograr

cumplir por completo cada uno de los objetivos específicos que aproximaran a los

cálculos posteriores. En este sentido fue necesario desarrollar la investigación en

varias etapas, estas se presentan a continuación:

3.2.1- Conocer la situación actual del embalse Pao-Cachinche en relación a la

eutroficación.

En esta primera etapa se realizó una observación de campo directa, donde se

recorrió el ámbito de la investigación caracterizándolo visualmente y obteniendo una

percepción real del trabajo de investigación que se ha desarrollado, haciendo las

primeras observaciones e indicando los puntos de indagación de la investigación a

través de conversaciones y entrevistas con personal involucrado en el área de

investigación. Complementario a esto hubo lecturas y sobretodo la determinación de

cuales exploraciones anteriores se han hecho en este tipo de investigación y hasta

donde han llegado. Paralelamente, se describió lo observado, con características

propias, describiendo hechos obtenidos de investigación directa con los implicados en

el trabajo, es decir el personal de la C. A. Hidrológica Del Centro

(HIDROCENTRO) que es la que opera el embalse, y complementariamente con los

moradores del litoral del embalse.


Capitulo 3. Metodología 55

3.2.2- Diagnóstico de la situación actual del embalse Pao-Cachinche en relación a la

eutroficación.

En una segunda etapa se establecieron elementos comparativos con unos

antecedentes relacionados con el tema, encontrados en el área de investigación de

universidades, institutos, foros entre otros, donde se especificaron y determinaron

diferencias y semejanzas de esta investigación con otras anteriores relacionadas. Esto

permitió analizar mediante un estudio, las delimitaciones, limitaciones y las posibles

soluciones del problema a través de un análisis de las diferentes variables, con el

objetivo de calificar y cuantificar sinergias o estudios relacionados con el tema de

investigación. En este sentido fue necesario exponer de manera adecuada las

diferentes teorías relacionadas con el tema de investigación, con el objetivo de

obtener conocimientos que permitieron ver con más exactitud el problema y la

realidad de lo que ocurría en el Embalse Pao-Cachinche.

Dentro de estos antecedentes se encuentra uno muy importante, contratado por

HIDROCENTRO y presentado en junio de 2000, titulado “Caracterización

Limnológica del Embalse Pao-Cachinche” (Estados Carabobo y Cojedes). Este

trabajo permitió ahorrar tiempo en lo que respecta a la condición eutrófica del

embalse y otros elementos de importancia.

3.2.3- Proponer alternativas de solución para la mitigación del problema de la

eutroficación del embalse Pao-Cachinche.

Con los conocimientos obtenidos, en esta tercera etapa se estimaron los posibles

comportamientos de los diferentes elementos presentes en el sistema. Esto permitió

tener ideas acerca de su factibilidad, además de comprender la relación entre las

diferentes variables, llegando al planteamiento de posibles soluciones. Los

parámetros que cobraron especial interés, fueron los relacionados con la densidad del

agua, donde se apreciaron que la turbiedad y los sólidos suspendidos totales son una

directriz de selección de datos. Esto, debido a la suposición válida de estimar la


cantidad de energía necesaria para extraer los sedimentos del fondo por cualquier

método que se seleccione. A través de los resultados del tipo de fluido presente en el

fondo del embalse Pao Cachinche, se sugieren varios sistemas de extracción

considerando en lo posible el de menor uso de energía. Como se trata de un problema

ecológico, se tomó como condición vital las alternativas que usen energía ecológica,

es decir, sin el uso de energías adicionales que vengan o provengan de otro nivel de

afectación ecológica o bien que hayan causado impacto ambiental en otros

ecosistemas. Para los efectos de esta tesis se consideró apropiado el uso de energías

no convencionales con el propósito de enmarcarlas dentro de una conceptuación

netamente ecológica o lo que es llamado de otra manera por los movimientos

ecológicos, uso de energía verde.

• Uso de la gravedad o energía potencial aprovechando la altura de la cresta

de la presa, es decir, usando tecnología de sifones.

• Uso de energía de elevación a través de una bomba centrifuga.

• Combinación de las dos alternativas anteriores.

3.2.4- Desarrollar la alternativa de método de extracción de sólidos suspendidos

totales y sedimentos para un análisis de toma de decisión.

Como cuarta etapa se desarrolló un sistema factible para la extracción de

sedimentos que se correspondió con un método gravitacional o bien de uso de energía

potencial para desalojar sedimentos del fondo.

Inicialmente luego de la recolección de datos, mediante los medios anteriormente

nombrados, y su posterior análisis, se propone un diseño el cual cumple con las

condiciones y restricción del mismo entorno del embalse. Este diseño se caracteriza

por el uso de un sifón como medio de extracción. En los planos realizados (ver

anexos), se indica específicamente el diseño del mismo considerando dimensiones

reales del embalse y la presa.



Los valores suministrados en los planos anexos, vienen dados en escala 1:2000,

estas dimensiones fueron tomadas considerando aspectos de importancia, como lo

son:

- La tubería no puede pasar sobre la cresta de la presa puesto que esta ultima

sirve como vía acceso hacia la torre toma y la sala de compresores.

- No se puede modificar las características ni el diseño de la presa, esto

referido a realizar excavaciones sobre la misma.

Tomando en cuenta las consideraciones nombradas, se ubico la tubería sobre uno

de los extremos de la presa incrementando de forma notoria la longitud de la tubería,

aumentando de manera directa las pérdidas del sistema.

El método utilizado para la evaluación del sistema de sifón, debe cumplir con dos

condiciones:

Primera condición: Control de pérdidas

Esta condición nos dice que la variación de energía entre en el punto de entrada y

salida del sifón sea mayor que la sumatoria de las pérdidas generadas por los tramos

de tubería a utilizar, garantizando de esta manera el buen funcionamiento del sifón.

Tal como se expresa en la siguiente ecuación de energía:

∑≥∆ fhH (3.1)

Segunda condición: Control de cavitación

Se debe controlar la cavitación en el tramo de tubería más elevado del sistema.

En este sentido recurrimos al cálculo de ambos parámetros de la siguiente

manera:

3.2.4.1- Determinación del ∆H

Una de las herramientas más usadas para el cálculo de este tipo de sistema es la

mencionada por Daniel Bernoulli en su teorema. El principio de Bernoulli, también


denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el

comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente, de la

siguiente forma:

HZg . 2

VγP 2

=++ (3.2)

Realizando el balance de energía entre la cota de superficie libre del embalse y la

salida, teniendo en cuenta que el régimen del flujo es permanente uniforme a lo largo

de la tubería, se obtuvo:

2

222

1

211 Z

g.2V

γPZ

g . 2V

γP

++=++ (3.3)

Considerando como condiciones de frontera lo siguiente:

- Flujo permanente

- Z1 = constante, debido a que el nivel del embalse no varía.

- V1 ≈ 0, El flujo es permanente

- Z2 = 0 (Cota de salida respecto al centroide del extremo de descarga)

- V2 = V, Velocidad en cualquier sección a lo largo del conducto

- La presión atmosférica local en ambos puntos P1 = P2 = Patm = 0, puesto

que se trabaja con Presiones manométricas.

Reemplazando dichas condiciones de frontera en la ecuación de la energía:

g . 2VZZ

2

21 =− (3.4)

Sabiendo que:

4D..VA.VQ

2π== (3.5)



2D.Q.4V

π= (3.6)

Evaluando:

42

2

21 .g.DQ.8ZZ

π=− (3.7)

42

2

21 .g.DQ.8)ZZ(H

π−−=∆ (3.8)

Esta última ecuación corresponde al valor de la variación de energía en una

función directamente proporcional al caudal e inversamente proporcional al diámetro.

3.2.4.2- Determinación de las pérdidas del sistema

Para este cálculo debemos tomar en cuenta tanto los tramos de tubería como los

accesorios de las mismas. También se debe considerar que existen tramos que

dependen del caudal y tendrán un comportamiento distinto.

3.2.4.2.1- Pérdidas en tramos rectos

Este tipo de pérdidas la determinaremos mediante la ecuación de Darcy-

Weisbach (1875), siendo una de las fórmulas más exactas para cálculos hidráulicos.

La fórmula original es:

g.2V.

DL.fhf

2

= (3.9)


5

2

DL.Q..f.0,0826hf = (3.10)



)(Re,ff rε= (3.11)


µρ

=.V.DRe (3.12)

En función del caudal:

D..Q.2732,1Re

µρ

= (3.13)

Para el cálculo del factor de fricción existen múltiples ecuaciones, para nuestros

cálculos usaremos la ecuación de Colebrook-White (1939), ya que es válida para todo

tipo de flujos y rugosidades. Es la más exacta y universal, pero el problema radica en

su complejidad y en que requiere de iteraciones.

+

ε−=

f.Re51,2

D.71,3log.2

f1 (3.14)

Este de valor de factor de factor de fricción, como no se puede despejar de la

ecuación, se determinó usando una hoja de cálculo en el Excel, aquí se manejó una

herramienta denominada referencia circular la cual se genera cuando una fórmula

hace referencia a su propia celda, directa o indirectamente, de esta manera se iniciaba

un tanteo automático entre dos las dos (2) celdas que relacionan la ecuación, y este se

detiene cuando los valores de dichas celdas se igualan en el sexto (6to) decimal.

3.2.4.2.2- Pérdidas en accesorios



codos, juntas, etc.) y que se deben a fenómenos de turbulencia. La suma de estas









g.2V.Khacc

2

= (3.15)


4

2

DQ.K.08263,0hacc = (3.16)

Factores K

En la determinación de las pérdidas generadas por los accesorios se debe conocer

el factor “k” que caracteriza a cada accesorio en particular, este se obtuvo según

estudios realizados por Crane, (ver anexo, figura 3.1).

3.2.4.3- Selección de la sección transversal de la tubería

Para la selección, se tomo en consideración, lo expuesto por Crane (1987) donde

expresa: “Las tuberías de sección circular son las más frecuentes, ya que esta forma

ofrece no solo mayor resistencia estructural sino también mayor sección transversal

para el mismo perímetro exterior que cualquier otra forma” (pág. 1-1).

3.2.4.4- Material de la tubería

En esta atapa del diseño debemos considerar los posibles materiales para la

tubería. Para nuestro estudio consideramos dos materiales, estos son: de plástico y

acero, las tuberías de plástico pueden ser de PVC (policloruro de vinilo) o de PEAD

(polietileno de alta densidad), de manera de cálculo de pérdidas reflejan los mismos

valores ya que la rugosidad del material se considera igual y muy baja, por otro lado,

se consideraran la resistencia de cada material para presiones internas, seleccionando

el que mejor cumpla con las condiciones del sistema, de igual manera tomando en

cuenta para este último cálculo el acero. A continuación demostramos los valores de

rugosidad para cada material.


Tabla 3.1. Rugosidad para los materiales en estudio

Material PVC, PEAD Acero comercial

Rugosidad (ε) (mm) 0,0015 0,018 - 0,072

Fuente: (Cengel, Y. Cimbala, J., 2006), (Miliarium Ingeniería Civil y Medio Ambiente, 2011)

Sabiendo que el sistema está compuesto por tres tramos, denominados por

criterio propio como: tramo de sifón, tramo de absorción y tramo de succión, y

considerando simetría en el sistema, se asume que el caudal que circula por cada lado

del tramo de absorción (QC), que se encuentra alrededor de la torre toma, es la mitad

del caudal que circula por el tramo de sifón (QS). También se refleja el hecho de que

el caudal de trabajo de cada tramo de succión (QSucc), depende de la cantidad de

tramos que se requieran o se deseen incluir al sistema, siendo esto, que el caudal de

cada tramo es igual al caudal del tramo del sifón dividido entre el número de tramos

(NTS). De otra manera:

2Q

Q TOTALABSORCIÓN = (3.17)

TS

TOTALSUCCIÓN N

QQ = (3.18)

3.2.4.5- Control de Cavitación

La cavitación debe evitarse (o al menos minimizarse) en los sistemas de flujo,

porque reduce el rendimiento, genera vibraciones y ruido molestos, y daña al equipo.

Las puntas de presión resultantes del gran número de burbujas que se desintegran

cerca de la superficie sólida durante un periodo largo pueden causar erosión, picadura

de la superficie, falla por fatiga y la destrucción eventual de los componentes o la

maquinaria. Se puede detectar la presencia de la cavitación en un sistema de flujo por

su sonido característico de traquetear.



En el sistema planteado se realizara dicho control mediante el cálculo de la

presión en el tramo más elevado, ya que la presión disminuye a medida que aumenta

la cota de la tubería. Partiendo de la ecuación de Bernoulli para el tramo perteneciente

en los puntos A-C especificados en los planos (ver anexos), y considerando las

pérdidas por tramos de tubería del mismo tramo, se plantea lo siguiente:

ACC

2CC

A

2AA hfZ

g.2V

γPZ

g . 2V

γP ∑+++=++ (3.19)

Evaluando las condiciones y despejando:

( )AC42

2

CAC hf

g.D.8.QZZ

γP ∑−

π−−= (3.20)

Conociendo el valor de la presión en la zona crítica de la tubería ,se compara con

la presión de vapor del agua correspondiente a la temperatura de la misma, esta se

determina utilizando una tabla de vapor del agua, (ver anexo, figura 3.2).

La condición que debe cumplir el sistema para evitar que se genere el fenómeno

de cavitación es el siguiente:

VAPORCritica PP > (3.20)

De esta manera se comprueba que el sistema funcionara correctamente y tendrá

siempre un flujo continuo dentro de la tubería.

En otro sentido, se debe tener en cuenta que, las diferentes variables o elementos

y las diversas condiciones presentes en el sistema, conllevaron a cambiar algunas

partes o aspectos, sin alterarlo del todo, queriendo decir con esto, que se cumplieron

con los objetivos del tema de investigación, teniendo como meta principal la

extracción de los sedimentos del fondo de embalses eutroficados. En consecuencia al

consumar estos aspectos se validó cada uno de los resultados obtenidos y permitió

evaluar cada una de las limitantes del medio con el propósito de apreciar la mayor o

menor efectividad del proceso en correspondencia con el tema de investigación,


además de proporcionar información de la cual se pudieron derivar criterios útiles

para la toma de decisiones con respecto a la administración y desarrollo del tema de

investigación.

Adicionalmente, se realizaron los planos, conforme al sistema de extracción de

sedimentos seleccionado, teniendo en cuenta la ubicación, las condiciones del medio,

y los resultados obtenidos de la evaluación del sistema.

3.3- Técnicas e instrumentos de recolección de datos.

3.3.1- Técnicas

3.3.1.1- Observación directa.

Se realizó una observación de campo directa, haciendo las primeras

observaciones e indicando los puntos de interés de la investigación, a través de

entrevistas y se ejecutó una inspección visual dentro del proceso a estudiar, con la

finalidad de conocer las etapas y el comportamiento real del mismo.

3.3.1.2- Entrevistas.

Se diseñaron entrevistas del tipo personal pidiéndole a los entrevistados que

desarrollaran un amplio relato, sobre los problemas del embalse y, para el caso

particular nuestro, se tomó específicamente lo relacionado con los sedimentos en el

embalse. Se tuvo énfasis en buscar conocimientos de, qué tipo de sedimentos

estábamos hablando, a que profundidad se encontraban y si tenían conocimiento de

densidad y viscosidad de dichos sedimentos con la variación de la profundidad.

3.3.1.3- Encuestas.

La técnica de recolección de información se realizó con el propósito de

validar la acción de que si retiran esos sedimentos pudiera a mejorar la calidad del

agua del embalse.



La población estudiada se fundamentó en los trabajadores pertenecientes a la

Hidrológica del Centro (HIDROCENTRO), esto con el fin de obtener información

acertada de la situación que se desarrolla en el lugar de los hechos.

El muestreo de conformo por un 10% de los trabajadores de la empresa,

destacados en las áreas; operadores del Embalse Pao-Cachinche así como también,

empleados del área de control de calidad, Los Colorados.

3.3.2- Instrumentos.

3.3.2.1- Cuestionario.

Este está conformado por doce (12) ítems del tipo cerrado, de modalidad

dicotómica, la forma de administración de dicho cuestionario es del tipo

autoadministrado según Hernández (Ob. Cit), “se proporcionan las preguntas en un

formulario escrito con las instrucciones incluidas, y los encuestados deben responder

solos, sin intermediarios” (Hurtado, 1998), realizadas de esta manera para que fuesen

fácilmente contestadas por los encuestados, y de igual modo evaluar la frecuencia del

parámetro a medir.

3.3.2.2- Grabador.

Se utilizó el grabador como herramienta de almacenamiento de datos, en relación

con las entrevistas o conversaciones desarrollados con el objeto de recolectar

información de interés.

3.4- Técnicas de procesamiento y análisis de datos.

Dadas las técnicas de recolección de datos, fue posible describir las opciones,

sugerencias, entre otras; obtenidas en las entrevistas realizadas al personal

involucrado en el proceso, pudiéndose apoyar en la experiencia de estas personas. Las

entrevistas se procesaron y analizaron tomando en cuenta elementos en común en

cada una de las conversaciones, dándole a estas mayores ponderaciones.


Además se emplea la Encuesta como técnica para recolección de datos. Esta

técnica está basada en la interacción personal, y se utiliza cuando la información

requerida por el investigador es conocida por otras personas. Esta se procesó

mediante un valor porcentual obtenido para cada respuesta. Se analizó tomando como

criterio el de mayor porcentaje con respecto a las respuestas obtenidas a las opciones

de SI y NO.


CAPÍTULO 4

RReessuullttaaddooss

En el siguiente capítulo se presentan los cálculos pertinentes al diseño del

sistema seleccionado y los resultados obtenidos por los ensayos experimentales,

según lo planteado en la metodología.

4.1- Conocer la situación actual del embalse Pao-Cachinche en

relación a la eutroficación.

4.1.1- Características del diseño original

En visita realizada el día 19/06/2010 se hizo un recorrido por las vías de acceso

del embalse. Está ubicado a 35 km de la Autopista Regional del Centro

específicamente la Autopista Valencia-Campo de Carabobo, en la cota 289 m.s.n.m

conformando los límites entre los estados Carabobo y Cojedes, (ver anexo, figura

4.1). Las características observadas en el embalse fueron complementadas con datos

obtenidos con los operadores en el embalse son las siguientes:


Tabla 4.1. Dimensiones del Embalse

COTA DE CRESTA (PRESA) 360,40 m.s.n.m.

COTA DE AGUAS NORMALES 353,28 m.s.n.m.

SUPERFICIE INUNDADA 1 .320 hectáreas

COTA DE AGUAS MÁXIMAS 357,50 m.s.n.m.

SUPERFICIE INUNDADA 1.618 hectáreas

COTA DE AGUAS MUERTAS 312,93 m.s.n.m.

COTA MÍNIMA OPERACIÓN 319,51 m.s.n.m.

RENDIMIENTO GARANTIZADO 165 Millones m3

VOLUMEN TOTAL 179 Millones m3

VOLUMEN ÚTIL 150 Millones m3

VOLUMEN MUERTO 500.000 m3

VOLUMEN INACTIVO 500.000 m3

TIPO DE ALIVIADERO eje curvo con doble contracción

COTA CIMACIO 353,28 m.s.n.m.

DESCARGA MÁXIMA ALIVIADERO 760 metros cúbicos

OBRA DE TOMA Torre-Toma, 08 compuertas

MECANISMO DE EMERGENCIA Válvula Howell Bunger, 36"

MECANISMO DE REGULACIÓN Embalse, Torre-Toma y presa

Fuente: Elaboración propia en Investigación de entrevistas (2011)

El agua se capta a través de una Torre Toma selectiva que tiene 8 compuertas

desde la superficie hasta el fondo, distribuidas en forma alternada y en diferentes ejes

a medida que se baja en profundidad, esto con el propósito de darle la característica

propia de selectividad de agua. El agua surte a una estación de bombeo de 6 bombas

cada una de 1500 L/S con motores de 4950 KW que bombean contra la planta Alejo

Zuloaga.



4.1.2- Obras de optimización para el sistema

En virtud de esta problemática que presenta el embalse, con respecto a la

eutroficación, se consideró necesario implementar una serie de medidas de

mitigación. Entre una de estas acciones, se contempló la aireación artificial del

embalse para producir la desestratificación térmica y química, a fin de mejorar a

mediano y largo plazo la calidad del agua. Aunque esta medida ha sido implementada

en otros países del mundo, en Venezuela es la primera vez que se realiza.

El proceso de aireación se inició en el mes de noviembre 2001, manteniéndose en

funcionamiento permanente hasta la presente fecha. Este proceso de aireación

artificial por destratificación implementado en la zona seleccionada del embalse con

mayor impacto en la obra de captación, ha producido un rompimiento paulatino del

fuerte gradiente térmico formado en las tres estaciones, estudiadas, que conlleva de

manera gradual a la desaparición de la termoclina y por lo tanto, a la homogenización

de la columna de agua. La circulación o mezcla inducida en la columna de agua del

embalse redujo la concentración de fitoplancton, y ha producido un cambio

sucesional en la composición de las especies. Estas nuevas condiciones del embalse

nos han proporcionado condiciones favorables en el proceso de potabilización,

efectuado en la Planta Alejo Zuloaga, provocando principalmente, disminución en el

consumo de sustancias químicas y en el requerimiento de mantenimiento, así como el

incremento de la producción del agua a ser distribuida. La red de distribución de

tuberías en el fondo del embalse se muestra en los anexos, figura 4.2.

4.1.3- Situación actual

Este embalse es utilizado para abastecimiento de agua potable de la región central

específicamente de los estados Aragua, Carabobo y Cojedes, con una red de 154 km

de tubería que forman el Sistema Regional del Centro I (SRC-I) que a su vez este se

empalma en el distribuidor Palo Negro de la misma Autopista Regional del Centro

con el Sistema Regional del Centro II (SRC-II), quien toma agua de un embalse


ubicado a 38 km del Embalse Pao Cachinche, llamado Pao La Balsa, y bombea hasta

la Planta Lucio Baldó Soulés, en un sistema de bombeo independiente del Pao

Cachinche para unirse en el punto referido del distribuidor Palo Negro.

Las características del agua observadas son aguas con cierta cantidad de

macrófitas tales como: Lirio de Agua también conocida como Bora (Eichhornia

Crassipes)., Repollo de Agua (Pistia Stratiotes), El Helecho Acuático y otros que

obedecen a la propia dinámica del embalse. Existen algunas áreas que se ven de

colores verdosos que suponen formaciones de micro algas, tales como: Algas Verde-

Azules y su nombre científico es Cianofíceas o también Cianobacterias.

Últimamente se observó, y en consulta con personal de hidrocentro que nos

guiaron en esta visita, que solo operan las dos (2) primeras compuertas superficiales,

refiriendo de manera informal, que la calidad del embalse a profundidades mayores es

de difícil potabilización en la planta. Se sabe también informalmente, en este primer

contacto, que el embalse, en términos muy generales, no posee compuerta de drenaje,

un elemento indispensable en la operación de este tipo de infraestructura.

En el anexo de este trabajo se encuentran imágenes que representan lo antes

mencionado. (Ver Figuras 4.2-4.12)

Por otro lado, la empresa suministro información relacionada con la calidad del

agua, cuyos elementos se muestran a continuación en la siguiente tabla 4.2.

Adicional a esto, se realizaron los gráficos correspondientes a cada parámetro

en función al año 2010.


Capitulo 4. Resultados 71

Tabla 4.1. Embalse Pao-Cachinche, torre toma

Parámetros en la Calidad Trófica del agua. Año 2010

FITOPLANCTON (O.m)

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC

2010 58,5 81,928 245,758 75,04 55,35 57,4 46,928 37,016 11,02 96,4 42,184 14,36

FÓSFORO (FONDO)


2010 0,748 1,4861 0,7084 2,6312 1,5631 1,3508 1,8238 0,2651 0,5643 1,0021 1,056 1,078

DBO (FONDO)


2010 8,701 8,888 11,891 15,07 13,2 10,835 8,415 5,511 7,15 10,615 9,801 11,583

NITRÓGENO AMONIACAL (FONDO)


2010 3,465 3,74 4,884 6,633 6,116 6,182 5,016 4,488 5,511 3,619 3,069 0,1958

TURBIEDAD (SUPERFICIAL)


2010 23,925 34,8 41,47 46,545 37,845 52,345 40,02 20,59 27,695 22,475 38,28 20,88


Gráfico 4.1. Fitoplancton durante el año 2001

Gráfico 4.2. Fósforo durante el año 2001

Gráfico 4.3. DBO durante el año 2001

0

10

20

30

40

50

60


ORG

/ML

Fitoplancton (O.m)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3


MG

/L

Fósforo (Fondo)

0

5

10

15


MG

/L

DBO (Fondo)



Gráfico 4.4. Nitrógeno durante el año 2001

Gráfico 4.5. Turbiedad durante el año 2001

Tabla 4.2 Temperatura Promedio (°C) Estación Torre Toma Noviembre 2010

Prof. (m) 0 5 10 15 20 25 30

Temp °C 27,54 27,45 27,42 27,38 27,37 27,38 27,38

Fuente: suministrada por la C. A. Hidrológica del Centro (Mayo 2011)

0

1

2

3

4

5

6


MG

/LNitrógeno Amoniacal (Fondo)

0

5

10

15

20

25

30

35

40


NTU

Turbiedad (Superficial)


Gráfico 4.6. Temperatura promedio Noviembre 2001

Otros datos importantes, necesarios para el cálculo de nuestro sistema son la

densidad y viscosidad, de estos no se pudo obtener datos actualizados para el

presente año ya que no son parámetros de uso consuetudinario para la estimación de

la calidad del agua por parte de la C. A. Hidrológica del Centro, específicamente

Dpto. Control de Calidad. Sin embargo, esta última cuenta con estos valores para la

fecha de noviembre 2010 debido a que fueron tomados para un estudio anterior.

Acorde a esto, a continuación se suministran los valores de dichos parámetros.

Tabla 4.3. Densidad-Viscosidad, noviembre 2010

Prof. (m) 0-5 20-30

Densidad (kg/m3) 999,99 1204

Viscosidad µ (Pa.S) 0,00089 0,030

Fuente: suministrada por la C. A. Hidrológica del Centro (2010)

La importancia de esta visita, además del conocimiento adquirido por la

observación directa, radica en que permite reconocer acciones sucesivas para enfocar

la investigación. De lo observado y de las conversaciones preliminares con los

operadores del embalse, entendimos la necesidad de ampliar entrevistas con personas

del medio, bien fueran del diseño y operación de estos embalses, o bien, de tomar la

010203040

0 10 20 30 40

Tem

pera

tura

°C

Profundidad (m)

Temperatura vs Profundidad



decisión de realizar encuestas para apreciar el grado de incidencia de alguno de los

elementos informales que escuchamos en el primer reconocimiento de campo. Para

ello se diseñaron entrevistas del tipo personal pidiéndole a los entrevistados que

desarrollaran un amplio relato, sobre los problemas del embalse y, para el caso

particular nuestro, se tomó específicamente lo relacionado con los sedimentos en el

embalse. Se tuvo énfasis en buscar conocimientos de qué tipo de sedimentos

estábamos hablando, a que profundidad se encontraban y si tenían conocimiento de

densidad y viscosidad de dichos sedimentos con la variación de la profundidad. En

estas entrevistas se tomaron en cuenta los tipos de sedimentos y la condición de ellos,

queriendo decir con esto, que las entrevistas se dirigieron a recolectar conocimiento

sobre lo mencionado.

El modelo de entrevista es como el que se muestra a continuación:

Orson Mora, cargo: Jefe de Captación Superficial, 1990-2011, que comenta lo

siguiente:… “el embalse, se encuentra eutroficado, ha tenido que soportar un severo

incremento de la cantidad de nutrientes disueltos en sus aguas como el fósforo y el

nitrógeno lo que representa aumento de fitoplancton y acarrea un problema en la

potabilización del agua, debido a la gran cantidad de desechos cloacales que se

arrojan a sus aguas”… “el embalse no posee compuerta de drenaje lo que trae como

consecuencia un aumento en la disminución de la calidad del agua, ya que tantos son

los elementos que arrastran las escorrentías como las que se producen en él, haciendo

que todos se sedimenten”… inicialmente la torre toma se construyó con un propósito

adicional, siendo este el de extraer los sedimentos acumulados en el fondo del

embalse por medio de la ultima compuerta. Las compuertas que se encuentran

operativas son las dos primeras ya que teóricamente a esos niveles la calidad de agua

es mejor”.

Marina Rodríguez De Estaba: actual Gerente de Calidad… “se encuentra

operativas la compuerta 1 y la compuerta 2… “actualmente los datos de densidad y

viscosidad no se toman ya que no son factores de uso frecuente para la determinación


de la calidad del agua, sin embargo, para efectos propios de su investigación, se le

tomarán muestras a diferentes profundidades para el cálculo de los mismos, desde

menores densidades en la superficie hasta mayores densidades a medida que tomemos

muestras a mayor profundidad”.

Ing. Romero: contratista de HIDROCENTRO, “es bueno aplicar en el embalse

una metodología para la extracción de sedimentos ya que el embalse no posee

compuerta de drenaje”…”los aireadores funcionan como unos digestores, esos

digestores proporcionan mucha materia inorgánica que se va depositando en el fondo

del embalse y se estima que los sedimentos han aumentado alrededor de 2 a 3

metros”… “las compuertas que se encuentran operativas son las dos primeras”… “se

estima que a mayor profundidad la densidad es mayor”.

Entrevistas a moradores del embalse:

Luis Aguirre, habitante del sector sur-este... “yo pescaba en la represa, sacaba

como 20 kilos semanales entre san Pedro, pavón y palometas, la pesca se hacía difícil

cuando había mucha Bora, que ahora aparece más”.

Luis Negrón, habitante del caserío Garrido parte Sur-oeste del embalse... “antes

podíamos consumir el agua del embalse tranquilamente, era transparente, pero ahora

el agua tiene un color verdoso como marrón”.

4.1.1- Encuesta.

A continuación, en la tabla 4.4 se refleja las preguntas formuladas en la encuesta

realiza sobre relaciones con la calidad del agua del embalse y adicionalmente se

presentan el resultado total de las mismas.



Tabla 4.4. Resultado de encuesta sobre relaciones con la calidad de agua del embalse

Ítem Pregunta SI NO %SI % NO SIN

RESPONDER

% SIN

RESPONDER

1

¿Conoce usted como ha variado

la calidad del agua del embalse Pao

Cachinche a través de los años que

tiene laborando en el mismo?

22 0 88 0 3 12

2

¿Cree usted que la calidad del

agua ha desmejorado a través del

tiempo?

20 0 80 0 5 20

3

¿Crees que el problema de la

calidad del agua del embalse se debe

a las aguas servidas municipales?

19 4 76 16 2 8

4

¿Considera que el problema de

la calidad del agua del embalse se

debe al arrastre de nutrientes de los

suelos por las escorrentías?

20 3 80 12 2 8

5

¿Crees que el problema de la

calidad del agua del embalse se debe

a la deforestación?

15 5 60 20 5 20

6 ¿Cree usted que a mayor

profundidad la densidad aumente? 20 2 80 8 3 12

7

¿Usted pudiera asegurar que el

embalse posee compuerta de drenaje

de sedimentos?

0 25 0 100 0 0


Continuación de tabla # 4.4

8

¿Al sacar esos sedimentos cree

usted que la calidad del agua del

embalse mejoraría?

18 3 72 12 4 16

9

¿Cree usted que se puedan

extraer esos sedimentos?

19 3 76 12 3 12

10

¿Cree usted que todas las

compuertas de la torre toma se

encuentran operativas?

0 20 0 80 5 20

11

¿Cree usted que el numero de

compuertas operativas en la torre

toma han disminuido por la excesiva

acumulación de sedimentos?

19 0 76 0 6 24

12

Sabiendo que los elementos de

nitrógeno y fósforo son de gran

importancia para el crecimiento

excesivo de plantas en el embalse.

¿Cree usted que dichos elementos

hayan aumentado considerablemente

en los últimos años?

17 3 68 12 5 20

Fuente: Elaboración propia en Investigación de entrevistas (2011)



Grafico 4.7. Resultado de encuesta realizada

4.2- Diagnóstico de la situación actual del embalse Pao-Cachinche

en relación a la eutroficación.

En las etapas de exploración, mejor dicho en los estudios de campo preliminares,

se observaron situaciones que se resumen en lo siguiente:

El embalse Pao-Cachinche representa una importante instalación estratégica para

el abastecimiento de agua potable de la región central, su capacidad de infraestructura

instalada es capaz de abastecerla, pero la calidad de sus aguas se ve comprometida

por un cambio interanual de ellas. Se podría afirmar que en el periodo seco existe

suficiente actividad de crecimiento de algas que desmejoran sus aguas, y en el

periodo de lluvia, las precipitaciones generan un aumento de caudal de las

escorrentías, permitiendo una mayor dilución, arrastrando aguas abajo

concentraciones de elementos orgánicos e inorgánicos, removiendo volúmenes de

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Porc

enta

je

Número de ítem

%SI

% NO

% SIN RESPONDER


aguas anóxicas para remplazarlo por aportes de las lluvias. Pero lo que aparentemente

gobierna la situación, son los efectos de la mayor radiación solar, ante la cual, la

fotosíntesis se acelera, y teniendo el fitoplancton abundantes nutrientes, se desarrolla

una actividad denominada “bloom” o florescencia, creciendo exponencialmente las

algas, cumpliendo su vida útil de escasos días, muriendo y consumiendo todo el

oxígeno (O2) presente en la columna y, de este modo causan mayor depósito de

sedimentos. En resumen, aún siendo estacional causa problemas en la calidad y, por

ende, en su potabilización, de allí que, esta conclusión en conjugación con la falta de

compuerta de drenaje, obliga a determinar la elaboración de una método o sistema

que pueda disminuir la condición cíclica-estacional de producción de sedimentos sin

ser removidos, y esto se podría lograr con el desarrollo de un sistema de sifón

operando en las adyacencias de la torre toma selectiva. Esta determinación se ve

reforzada por los resultados, tanto de las entrevistas, así como también por las

encuestas, donde además de concluir que el problema existe y se ha desarrollado

como una problemática a resolver, puede tener una solución de este tipo.

Los embalses eutroficados se evalúan desde el punto de vista de la cantidad de

biomasa que se produce en ellos, esta biomasa está representada por el macroplancton

y microplancton que a su vez se compone del fitoplancton y el zooplancton. El

fitoplancton, es decir, elementos microscópicos llamados algas microscópicas y

macrófitas que son plantas acuáticas vasculares de cierto tamaño, que dado la

condición de cierto nivel de nutrientes, se desarrollan. La condición de nutrientes y

específicamente nitrógeno y fósforo determina en primer lugar, el primer nivel trófico

conocido como microplancton. Desarrollos exponenciales llamados fluorescencia, y

son más profundos cuando existe la mayor radiación solar, es decir en el verano.

Para determinar la condición trófica de un embalse se han desarrollado

modelaciones matemáticas, entre ellos la de Salas-Martino y otros que también

establecen alguna forma o método de medir los parámetros. Salas-Martino desarrolla



la medición del nitrógeno, fósforo y de la clorofila A, componentes de estas células o

microalgas del fitoplancton. (Salas, J., Martino, P., 1981-1990)

Para el embalse Pao Cachinche existen estudios determinativos que en forma

cualitativa y cuantitativa demuestran que el embalse se encuentra eutroficado, entre

ellos, el realizado por el Instituto de Biología Experimental de la Universidad Central

de Venezuela en el año 2000. Este instituto realizó una caracterización tanto del nivel

de nutrientes, así como también las especies de diferentes niveles tróficos dentro del

embalse y determinando que por la presencia de ellos el nivel del embalse era

considerado hipereutrófico.

Por otro lado, se consideraron los contajes realizados por la misma empresa

Hidrológica de las muestras para determinar el número de microorganismos por

mililitro y se estudió una data desde 1993 al 2003 donde el crecimiento de este

parámetro es significativo y lo ubica coincidencialmente entre los niveles que

podemos considerar como hipereutrófico. (ver anexo, gráfico 4.8)

La hipereutrofia determina muy alta producción de biomasa es decir, se

desarrollan de manera exponencial y mueren, siendo al fin de cuentas, materia que

necesita oxígeno para descomponerse. Además a la condición de eutrofia, se agrega

la condición de aguas anóxicas en la columna de agua, que es otra característica de

los embalses hipereutroficados, de manera tal, siendo tema ya cubierto por

investigaciones anteriores, lo cual da como resultado que el embalse Pao Cachinche,

dado por sus características observables de patinas y mantos extensos de color verde

sobre la superficie del embalse, así como también, el crecimiento de Bora, repollo de

agua que son macrófitas (ver anexos, figura 4.2-4.12), aunado la gran cantidad de

peces muertos en diferentes épocas corroboran la circunstancias de hipereutrófico, lo

cual se confirma en las entrevistas.

Las hipereutrofia es causada por elementos puntuales y difusos. Entre las causas

puntuales se encuentran:


1. Descargas de aguas provenientes de granjas porcinas ubicadas en los

Municipios Libertador y Valencia, sin tratamiento.

2. Obstrucción de tramos existentes.

3. Deficiencia de mantenimiento en el sistema existente.

4. Descargas directas de aguas servidas domiciliarias de sectores no planificados

que no se empotran al sistema de colectores.

Esta última causa ha sido dimensionada y es uno de los puntos principales de la

planificación del Ministerio del Poder Popular para el Ambiente (MINAMB), para

tratar de resolver el problema de la hipereutrofia del embalse Pao Cachinche. Cabe

destacar que este organismo, a lo largo de estos últimos años se ha encargado de

construir gran parte de estos colectores, pero aun así existen zonas que no poseen este

tipo de infraestructura, entre estas destacan: Barrio Los Jardines (Urb. Nayleth),

estación de bombeo José Leonardo Chirinos, nuevo desarrollos al sur de la Urb. Santa

Eduviges, como también descargas de aguas servidas en drenajes en tramos de la Av.

Lara.

En consecuencia, de acuerdo a los resultados de las investigaciones realizadas, el

embalse se encuentra eutroficado.

4.3- Propuestas de solución para la mitigación del problema de la

eutroficación de embalse Pao-Cachinche.

En efecto se comprendió que las alternativas posibles quedaron comprendidas en

lo que a continuación se refiere:

i. Uso de la gravedad o energía potencial aprovechando la altura del cimacio de

la presa, es decir, usando tecnología de sifones.

ii. Uso de energía de elevación a través de una bomba centrifuga.

iii. Combinación de las dos alternativas anteriores.



Como se trata de un problema ecológico, se tomaran como condición vital las

alternativas que usen energía ecológica, es decir, sin el uso de energías adicionales

que vengan o provengan de otro nivel de afectación ecológica o bien que hayan

causado impacto ambiental en otros ecosistemas. Para los efectos de esta

investigación se consideró apropiado el uso de energías no convencionales con el

propósito de enmarcarlas dentro de una conceptuación netamente ecológica o lo que

es llamado de otra manera por los movimientos ecológicos uso de energía verde.

No obstante, la consideración de que a mayor profundidad se encuentran

compuestos en el agua que puedan de algún modo interferir en la mengua de energía

potencial, generada por la diferencia de alturas de succión y descarga de un sifón,

también es prudente considerar la energía adicional de una bomba que pueda vencer

las posibles fuerzas viscosas o bien romper la continuidad de caudales por elementos

sólidos disueltos en el agua. En este sentido el uso de esta energía se analizará dentro

de un contexto de considerar si la longitud del tramo de descarga ocasiona pérdidas,

que resten la energía potencial necesaria a una sección continua o establecer

regímenes de caudal continuo propiamente dicho que podría utilizar una bomba con

un mínimo parcial de energía necesario para vencer ese nivel de perdida.

Adoptando el criterio de diseñar un sistema que pudiera desalojar caudales

adyacentes a la torre toma, sin uso de energía eléctrica adicional, se decidió adoptar el

primero de los tres mencionados, en este sentido, se detalla a continuación la

propuesta.

4.4- Desarrollo de alternativa de método de extracción de sólidos

suspendidos totales y sedimento para un análisis de toma de decisión.

En los planos elaborados mediante la recolección de datos (ver anexos), se

muestra el modelo de sistema a seguir, tomando en cuenta las dimensiones reales del

embalse.


El método utilizado para la evaluación del sistema de sifón, parte de la condición

de que la variación de energía entre en el punto de entrada y salida del sifón sea

mayor que la sumatoria de las pérdidas generadas por los tramos de tubería a utilizar,

garantizando de esta manera el buen funcionamiento del sifón. Tal como se expresa

en la siguiente ecuación de energía:

∑≥∆ fhH (4.1)

4.4.1- Ecuación general del sistema

4.4.1.1- Determinación del ∆H

Partiendo de la ecuación de Bernoulli:

HZg . 2

VγP 2

=++ (4.2)

Realizando el balance de energía entre la cota de superficie libre del embalse y la

salida, teniendo en cuenta que el régimen del flujo es permanente uniforme a lo largo

de la tubería.

2

222

1

211 Z

g.2V

γP

Zg . 2

VγP

++=++ (4.3)

Considerando como condiciones de frontera lo siguiente:

- Flujo permanente

- Z1 = constante, debido a que el nivel del embalse no varía.

- V1 ≈ 0, El flujo es permanente

- Z2 = 0 (Cota de salida respecto al centroide del extremo de descarga)

- V2 = V, Velocidad en cualquier sección a lo largo del conducto

- La presión atmosférica local en ambos puntos P1 = P2 = Patm = 0, puesto

que se trabaja con Presiones manométricas.

Reemplazando las condiciones de frontera en la ecuación de la energía:



g . 2VZZ

2

21 =− (4.4)

Sabiendo que:

4D..VA.VQ

2π== (4.5)

2D.Q.4V

π= (4.6)

Evaluando:

42

2

21 .g.DQ.8ZZ

π=− (4.7)

42

2

21 .g.DQ.8)ZZ(H

π−−=∆ (4.8)

Esta última ecuación corresponde al valor de la variación de energía en una

función directamente proporcional al caudal e inversamente proporcional al diámetro.

Para este método de evaluación del sifón, se debe realizar por medio de un

proceso iterativo, teniendo como condición primordial la variación del diámetro

interno de la tubería. Del sistema se conocen datos como lo son:

• Las cotas de succión y descarga, están sujetas a condiciones que dependen

de la geometría de la presa, y seleccionando respecto a la descarga la

condición limite que nos genera dicha geometría. De esta manera se

conoce que la cota de succión es de 353 msnm y la cota de descarga es de

306 msnm.

• El caudal: tomando en cuenta que se debe desalojar la mayor cantidad de

fluido que se pueda, esto tiene relación con el gasto hidráulico, en este


caso se selecciono un valor de caudal de diseño de 100 litros por segundo.

Inicialmente puede ser un valor solo para considerar el comportamiento

de mis variables, por tanto este puede o no ser modificado posteriormente.

• Considerando constante la gravedad como 9,81 m/s2 y adicionalmente el

valor de Pi como 3,14159.

Con los datos anteriores y seleccionando un valor de diámetro comercial de 10

pulgadas (0,254 metros), podemos determinar el valor de la variación de energía,

evaluando en la ecuación 4.8, como sigue:

( )42

2

23

m0,254.sm.9,8114159,3

sm1,0.8

)m306m353(H

−−=∆

m87149,45H =∆

Siendo este valor la energía generada del sistema con las consideraciones propias

del embalse.

4.4.1.2- Determinación de las pérdidas del sistema

Para este cálculo debemos tomar en cuenta tanto los tramos de tubería como los

accesorios de las mismas. También se debe considerar que existen tramos que

dependen del caudal y tendrán un comportamiento distinto.

4.4.1.2.1- Pérdidas en tramos rectos

Este tipo de pérdidas la determinaremos mediante la ecuación de Darcy-

Weisbach (1875), siendo una de las fórmulas más exactas para cálculos hidráulicos.

La fórmula original es:

g.2V.

DL.fhf

2

= (4.9)




5

2

DL.Q..f.0,0826hf = (4.10)



)(Re,ff rε= (4.11)

µρ

=.V.DRe (4.12)


D..Q

.2732,1Reµ

ρ= (4.13)

Para el cálculo del factor de fricción existen múltiples ecuaciones, para nuestros

cálculos usaremos la ecuación de Colebrook-White (1939), ya que es válida para todo

tipo de flujos y rugosidades. Es la más exacta y universal, pero el problema radica en

su complejidad y en que requiere de iteraciones.

+

ε−=

f.Re51,2

D.71,3log.2

f1 (4.14)

4.4.1.2.2- Pérdidas en accesorios



codos, juntas, etc.) y que se deben a fenómenos de turbulencia. La suma de estas








g.2V.Khacc

2

= (4.15)


4

2

DQ.K.08263,0hacc = (4.16)

Partiendo del diseño expuesto en el plano 1 (ver anexos), podemos apreciar las

dimensiones tanto de la presa como de longitud de la tubería, los datos aquí

suministrados son a escala 1:1, estas dimensiones fueron tomadas considerando

aspectos de importancia, como lo son:

- La tubería no puede pasar sobre la cresta de la presa puesto que esta ultima

sirve como vía acceso hacia la torre toma y la sala de compresores.

- No se puede modificar las características ni el diseño de la presa, eso

referido a realizar excavaciones sobre la misma.

Tomando en cuenta esto, nos vemos en la necesidad de ubicar la tubería sobre

uno de los extremos de la presa incrementando de forma notoria la longitud de la

tubería, aumentando de manera directa las pérdidas del sistema.

De esta información podemos decir que los datos de las longitudes para los

tramos rectos son:

Tramo de tubería correspondiente a los extremos A-B se determino mediante los

datos suministrados de los planos y algunos artificios matemáticos como teorema de

Pitágoras, obteniendo finalmente:



m61,52m161m44m27,213L B-A +++= (4.17)

m88,470L B-A = (4.18)

De igual forma determinamos la longitud de la sección alrededor de la torre toma,

siendo esta:

6*m82,26LAbsorción = (4.19)

m92,160LAbsorción = (4.20)

Finalmente se sabe que la última compuerta se encuentra alrededor de 30 m de

profundidad, lo que indica que la longitud máxima de cada tramo de succión

corresponde a ese valor, de lo que podemos analizar, que realizando los cálculos para

esta profundidad garantizamos el mayor valor de pérdidas que genera este tramo de

tubería.

m30LSucción = (4.21)

En esta atapa del diseño debemos considerar los posibles materiales para la

tubería. Para nuestro estudio consideramos dos materiales, estos son: de plástico y

acero, las tuberías de plástico pueden ser de PVC (policloruro de vinilo) o de PEAD

(polietileno de alta densidad), de manera de cálculo de pérdidas reflejan los mismos

valores ya que la rugosidad del material se considera igual y muy baja, por otro lado,

se consideraran la resistencia de cada material para presiones internas, seleccionando

el que mejor cumpla con las condiciones del sistema, de igual manera tomando en

cuenta para este último calculo el acero. En la tabla 3.1 se muestra las rugosidades de

los materiales de las tuberías.

Sabiendo que el sistema está compuesto por tres tramos, denominados por

criterio propio como: tramo de sifón, tramo de absorción y tramo de succión, y

considerando simetría en el sistema, se asume que el caudal que circula por cada lado


del tramo de absorción (QAbs), que se encuentra alrededor de la torre toma, es la mitas

del caudal que circula por el tramo de sifón (QS). También se refleja el hecho de que

el caudal de trabajo de cada tramo de succión (QSucc), depende de la cantidad de

tramos que se requieran o se deseen incluir al sistema, siendo esto, que el caudal de

cada tramo es igual al caudal del tramo del sifón dividido entre el número de tramos

(NTS). De otra manera:

2Q

Q TOTALABSORCIÓN = (4.22)

TS

TOTALSUCCIÓN N

QQ = (4.23)

A continuación se presentan los cálculos pertinentes a las pérdidas generadas por

los diferentes tramos de tubería, siendo esta de un material de acero.

Determinando el valor del Reynolds y seguidamente el factor de fricción

mediante las ecuaciones 4.13 y 4.14 respectivamente:

66,561523m254,0.s.Pa0,00089

mkg997.

sm1,0

.2732,1Re3

3

==

Siendo este valor el referido a un régimen turbulento según la bibliografía

consultada.

+

−=f*66,561523

51,2254,0*71,3

045,0log.2f

1

Este de valor de factor de factor de fricción, como no se puede despejar de la

ecuación, se determinó usando una hoja de cálculo en el Excel, aquí se manejó una

herramienta denominada referencia circular la cual se genera cuando una fórmula

hace referencia a su propia celda, directa o indirectamente, de esta manera se iniciaba

un tanteo automático entre dos las dos (2) celdas que relacionan la ecuación, y este se



detiene cuando los valores de dichas celdas se igualan en el sexto (6to) decimal. De

esta forma obtuvimos:

0154782,0f =

Conociendo esto, se determina las pérdidas lineales mediante la ecuación 4.10:

Pérdidas para tramo del sifón:

( )m69432,5

m254,0

m88,470*s

m1,0*0154782,0*0,0826hf 5

23

TS =

=

Pérdidas para el tramo de absorción:

( )m48650,0

m254,0

m92,160*s

m05,0*0154782,0*0,0826hf 5

23

Abs =

=

Pérdidas para el tramo de succión, considerando un número de tramos igual a

siete (5):

( )m03704,05*

m254,0

m30*s

m01429,0*0154782,0*0,0826hf 5

23

Succ =

=

Ahora, para determinar las pérdidas generadas por los accesorios se debe conocer

el factor “k” que caracteriza a cada accesorio en particular, este se obtuvo según

estudios realizados por Crane, (Crane, 1987), (ver anexo, figura 3.1), los siguientes

valores para las condiciones de diámetro que se maneja:


Tabla 4.5. Factores “K” para accesorios del tramo del sifón

Accesorio Cantidad Factor K

Válvula

Mariposa 2

(10”-14”) … k=35.f

(16”-24”) … k=25.f

Válvula de

retención 1 k=50.f

Codos 3 k=8.f

Te de línea 1 k=20.f

Fuente: (Crane, 1987)

Evaluando para las condiciones de factor de fricción en estudio, obtenemos el

valor total del factor k para este tramo:

53842,20154782,0*)203*8502*35(kS =+++=

De manera similar, se realiza para los otros dos tramos:

Tabla 4.6. Factores “K” para accesorios del tramo de absorción


Codos de 72º 5 k=40.f

Te de ramal 2 k=60.f

Te de línea 4 k=20.f


19128,6kAbs =



Tabla 4.7. Factores “K” para accesorios del tramo de succión


Te de ramal 5 k=60.f

Entrada 5 k=0,78.f


70382,4kSucc =

Obtenido estos factores de “k” correspondientes, debemos evaluar en la ecuación

4.16, resultando para cada tramo:

( )m50374,0

m254,0s

m1,0.53842,2.08263,0hacc 4

23

S =

=

m30716,0haccAbs =

m03734,0haccSucc =

Finalmente determinamos las pérdidas totales:

m06606,7hf =∑

En resumen, la carga hidráulica disponible supera a las pérdidas totales en el

sifón:

m06606,7h87149,45H f =>=∆ ∑

Por lo tanto se demuestra que el sifón estar correctamente diseñado

m80543,38hH f =−∆ ∑


4.4.1.2- Control de Cavitación

Partiendo de la ecuación de Bernoulli para el tramo perteneciente en los puntos

A-C (ver anexos), y considerando las pérdidas por tramos de tubería:

ACC

2CC

A

2AA hfZ

g.2V

γP

Zg . 2

Vγ

P ∑+++=++ (4.30)

Evaluando las condiciones y despejando:

( )AC42

2

CAC hf

g.D.8.QZZ

γP ∑−

π−−= (4.31)

Para el cálculo de las pérdidas solo consideramos el tramo A-C, y con los datos

conocidos, obtenemos que:

m77,309L B-A =

m769775,4hfAC

=∑

Evaluando las condiciones:

( ) ( )( )

m769775,40,254m.s/m81,9.14159,3

s/0,1m8.360,93m-353mγ

P422

23C −−=

m89829,12γ

PC −=

Psi2968,18Pa6,126152PC =−=

Debemos saber que este valor de presión critica esta expresado de manera

manométrica, por tanto debemos sumarle el valor de la presión atmosférica para

seguidamente compararlo con la presión de vapor.



Psi14,6959Pa101325Patm ==

( )

Psia3,600927Pa60039,24827

Pa6,126152Pa101325P ABSC

=−=

−=

Determinando el valor de la presión de vapor para una temperatura a la superficie

del embalse de 32,5ºC, correspondiente al nivel de la muestra, siendo esta

temperatura la que arroja una presión de vapor mayor:

=== Pa4897bar0,04897PVAPOR

Por último comparando los valores de presión, se cumple que:

Pa4897PPa6,24827P VAPORC =<−= (4.32)

Por tanto, se demuestra que para las condiciones dadas, el sistema de sifón cavita,

lo que provoca que la continuidad del fluido se pierda por la formación de cavidades

de oxígeno en el interior de la tubería. Por tal motivo, a continuación se muestra los

valores resultantes de la iteración de diferentes diámetros comerciales (ver anexo,

figura 4.13), y caudales para que el sistema cumpla ambas condiciones, esto para

tuberías de acero como de plástico.



CAPÍTULO 5

AAnnáálliissiiss ddee RReessuullttaaddooss

El embalse Pao Cachinche está ubicado de manera tal que todas las escorrentías

naturales que escurren en la cuenca alta del Río Pao llegan hasta Cachinche y el

crecimiento demográfico acelerado ha acentuado esa condición, permitiendo mayores

niveles de eutroficación y en definitiva aumentado la sedimentación de los sólidos

suspendidos totales (SST) convirtiendo zonas anóxicas en profundidades que se

pueden estimar a partir de los 10 metros en adelante. Esto solo permite que se pueda

captar agua de las dos primeras compuertas de la torre toma y con el problema que no

existe compuerta de drenaje esas aguas no son desalojadas, lo cual limita, que la

captación de agua sea solo de las capas superficiales.

Esto obliga a que debe existir una manera de sacar esos sedimentos y por las

tomas de muestra de densidad hemos observado, que no varía considerablemente con

respecto a la profundidad. Al variar la densidad es un parámetro a tomar en cuenta en

cualquier método de extracción, además se supone que el aumento demográfico y el

arrastre de aguas servidas municipales hacia el embalse Pao Cachinche se estima que

hay mayor cantidad de sólidos suspendidos totales (SST), que es una medida también

de estimar que cantidad en peso existente en el embalse.


Considerando las encuestas realizadas, se obtuvo que, en sus inicios, el embalse

tuvo problemas no definidos en cuanto a su construcción, adicionalmente, se sabe que

el embalse no presenta compuerta de descarga para los sedimentos, situación que

siempre ha representado un problema, si esta compuerta existiera el nivel de

sedimentación alrededor de la torre toma seria mucho menor, coincidiendo los

entrevistados en la elaboración de un método para extraer dichos sedimentos.

El diagnóstico de acuerdo a toda la discusión de resultados es que la torre toma

no aplica correctamente su función de seleccionar las aguas a diferentes niveles o a

diferentes profundidades sino que solo puede tomar las aguas superficiales debido al

aumento y la sedimentación de los sólidos suspendidos totales (SST) convirtiendo

zonas anóxicas en profundidades que se estiman que se ubican a partir de los 10

metros en adelante.

Hay que tener un elemento de extracción, que resuelva el problema de sólidos

suspendidos totales y anoxia en la columna de agua.

Realizando la evaluación y diagnostico del embalse, mediante los datos

suministrados por la empresa y estudios antes realizados junto con bibliografía

revisada, se aprecia que el embalse se encuentra en un estado hipereutrófico, esto para

nuestro estudio es de gran importancia ya que entendemos que existe gran cantidad de

biomasa acumulada en el seno del embalse, la cual consume gran cantidad de

nitrógeno y fosforo, para su supervivencia, estas al morir van al fondo del embalse, y

como toda materia orgánica consume oxígeno en su proceso de descomposición,

trayendo como consecuencia la anoxia de dicha aguas, lo cual hace difícil el

tratamiento de las mismas para consumo humano.


CAPÍTULO 6

CCoonncclluussiioonneess yy RReeccoommeennddaacciioonneess

6.1- Conclusiones

- En esta investigación, para la determinación del nivel de eutroficación del

embalse Pao-Cachinche no fue necesario realizar acciones, ya que esto ha sido

determinado por institutos debidamente acreditados, como lo es el Instituto de

Biología Experimental de la Universidad Central de Venezuela, donde esto se

asume como válido y se considera hipereutrófico.

- Se determinó que a los treinta (30) metros de profundidad no se encontró

columna comprimida de sedimentos, lo que descarta la posibilidad de que la

compuerta número ocho se encuentre inoperante por la acumulación de los

mismos.

- Es necesario desalojar sedimentos de la columna de sedimentación por algún

método.

- Las pérdidas generadas en el sistema dependen de variables como lo son el

diseño, diámetro, caudal y factor de fricción, este último es de gran

importancia, ya que lo obtenemos por el material de la tubería, en el caso de

estudio contamos con dos materiales como lo son el Acero, PVC y PEAD


siendo estos dos últimos los que posee menor factor de fricción y por ende una

disminución de las pérdidas.

- Un factor limitante en el estudio del sifón es la longitud de descarga, y no en

todas las circunstancias se podrá disponer de ella para la selección del sifón.

De igual manera se conoce que la presión ejercida en la parte superior del

sifón debe ser mayor que la presión de vapor, de lo contrario la dinámica del

sistema y la presión ejercida formaran cavidades de vapor en dicho tramo. Las

cuales al acumularse permiten que se rompa la continuidad del diseño.

- Las tuberías seleccionadas deben ser lo suficientemente resistentes para

soportar estas presiones internas, ya que de lo contrario podría causar grietas o

la fractura completa de la tubería.

- De los estudios realizados se demostró que la densidad a 15 metros de

distancia de la torre toma, fue de 996 kg/m3 aproximadamente, esto, para

profundidades comprendidas entre cero (0) metros hasta los treinta (30)

metros.

- El sistema de sifón utilizado en la investigación permite modificaciones

referidas al tramo de descarga, en este sentido se podría disminuir dicho tramo

hasta una cota mayor a la de succión, pero manteniendo la relación de que la

energía generada por el sistema sea mayor a las pérdidas del mismo de manera

de no afectar drásticamente las condiciones del sistema.

- Tanto el acero como el plástico utilizados en la investigación, cumplen con las

condiciones del sistema diseñado, lo que nos indica que la rugosidad del

material, en la investigación, es un parámetro que no perturba de manera

significativa el comportamiento del sifón.

- Los parámetros considerados de gran importancia en la investigación, como lo

son la densidad y la viscosidad del fluido guardan una relación discrepante

con respecto a los valores de pérdidas en la tubería y la presión crítica en la

tubería de mayor cota. Referido a esto se encontró que al incrementarse la

densidad del fluido disminuyen las pérdidas y se incrementa la presión crítica,


Capitulo 6. Conclusiones y Recomendaciones 101

en caso contrario, aumentando la viscosidad, las pérdidas crecen y se reduce la

presión.

- Las diferentes variables o elementos y las diversas condiciones presentes en el

sistema llevaron a cambiar algunas partes o aspectos sin alterarlo del todo,

queriendo decir con esto, que se cumplieron con los objetivos del tema de

investigación, teniendo como meta principal la extracción de los sedimentos

del fondo de embalses eutroficados.

- Finalmente se comprobó que el sistema de sifón diseñado con los parámetros

inicialmente establecidos, teóricamente funciona de manera satisfactoria para

un diámetro mayor o igual a 20 pulg y un caudal de 100 litros por segundo,

garantizando que no se produzca el fenómeno de cavitación y permitiendo con

esto un flujo constante en la tubería.

- En el embalse Pao-Cachinche se observan todas las características de excesiva

producción de microplancton y macroplancton, cuestión que contribuye a

generar sólidos suspendidos totales, aguas anóxicas y aumento de la columna

de sedimento.

- El embalse tiene períodos de mayor producción primaria, microplancton. Se

puede considerar estacional ya que en verano se observa su aumento y en

invierno por remplazo de nuevos caudales de lluvias, son arrastrados y los

remanentes se diluyen.

- La eutroficación por su propia dinámica genera sedimentos que contribuyen al

reciclamiento de nutrientes.

- Se determinó de manera contundente que en épocas de lluvia los valores de

N2, P, y plancton (cel/ml) disminuyen, contrariamente a los de O2 que

aumentan. Sin embargo no existe buena calidad de agua a partir de los diez

(10) metros de profundidad. De estas anteriores comprobaciones se dedujo; la

importancia de tratar de mitigar los efectos que pudieran causar aguas

intermedias de captación, en la torre toma selectiva, por la presencia de

sólidos suspendidos totales (incluyendo microalgas en estado de lisis celular);


en la calidad del agua cercana a la torre toma. Considerando además que la

región de estudio solo llueve, en promedio cinco (5) meses, es decir el

embalse tiene, también en promedio siete (7) meses sin renovación de aguas,

razón que induce a la necesidad de desalojar volúmenes estancados en las

adyacencias a la torre toma para que sean remplazados por flujos de mejor

calidad; propósito y espíritu que sustentan esta investigación.

6.2- Recomendaciones

- Considerando que una de las fuentes principales que nutre el embalse son las

aguas servidas, se deben realizar desvíos de las mismas hacia plantas de

tratamiento, a manera de estabilizar y extraer la materia orgánica presente en

ellas, logrando que estas no lleguen y contribuyan a la contaminación del

embalse.

- Actualmente se cuenta con un sistema de aireación el cual podría mejorarse,

invirtiendo en nuevas tuberías sumergibles, aplicando de manera continua el

oxígeno al embalse.

- Se recomienda a exhortar a la comunidad a participar en foros, convenciones,

talleres para que conozcan el problema antrópico de la eutroficación, con la

tendencia de lograr en ellos que a su vez motiven a las autoridades a la

construcción de obras de saneamiento ambientales.

- Es no recomendable descargar estos caudales aguas abajo en el lecho del rio

sino crear un mecanismo depurativo ecológico como los humedales, ya que el

estado hipereutrófico del embalse perjudicaría las aguas que posean mejor

calidad aguas abajo.

- Por las extremas condiciones que posee el embalse en la actualidad, no es

recomendable utilizar el dragado de los sedimentos, al menos no en los

alrededores de la torre toma, principalmente porque es de alto costo, y

segundo porque al trasladar los sedimentos desde el fondo hasta la superficie


Capitulo 6. Conclusiones y Recomendaciones 103

(Ministerio del Ambiente y de los Recursos Naturales Renovables, 1976)se

estaría mezclando con aguas que se encuentran en mejor condiciones,

perjudicando estas últimas.

- Se recomienda hacer faenas de limpieza de desmonte y maleza alrededor de la

tubería, para evitar que la tubería del sifón entre en contacto con el suelo

previendo su deterioro.

- Si se desea extraer mayor volumen de sedimento, se deben colocar varias

líneas de sifón ó que se introduzca energía adicional al sistema mediante

equipos de bombeo.

- El sistema de bombeo para el llenado debe contar con un sistema de purga de

sedimentos, el cual se realice mediante el suministro a presión de agua por la

válvula colocada en la parte superior. De esta manera se expulsan los

elementos que en ese momento obstruyan las tuberías.

- En estudios posteriores se debe considerar un sistema para la recolección

superficial de las plantas y sacarle provecho como material de abono o

alimento para animales. De esta manera se estaría previendo que esas plantas

mueran sobre el embalse y su posterior decantación, sedimentando en el fondo

del mismo.

- Considerar colocar la tubería lo mas perpendicular a la presa, a manera de

disminuir el tramo de tubería y directamente las pérdidas, de esta forma existe

posibilidad de alargar el tramo de descarga hacia una ubicación donde se

pueda construir sistemas de humedales o lagunas de oxidación, los cuales son

sistema que permiten la estabilización de la materia orgánica, de igual modo

realizar la extracción de la misma, evitando que vaya al cuerpo de agua abajo.

- Para prevenir la cavitación en el tramo más elevado de la tubería, se puede

aumentar tanto el valor del diámetro de la tubería, como la altura comprendida

entre la cota de succión y la cota de dicho tramo.



RReeffeerreenncciiaass BBiibblliiooggrrááffiiccaass

Catalogo de Tuberías de Polietileno de Alta Densidad. (2011). Recuperado el 6

de Febrero de 2011, de http://www.gemaca.com

Cengel, Y. Cimbala, J. (2006). Mecánica de Fluidos. Fundamentos y

Aplicaciones. 1era Ed. McGraw-Hill / INTERAMERICANA EDITORES, S. A. DE

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Crane. (1987). Flujo de Fluido en Válvulas, Accesorios y Tuberias. 1era Ed.

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Ccochanccay. Protecto de Irrigación Yaurihuiri. Lima, Perú: Universidad Nacional

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Gerencia Técnica. (1995). Manual de Tratamiento de Embalses. C. A.

Hidrológica Venezolana.

González E., Ortaz M., PeñaHerrera C., Matos M. (2000). Fitoplancton de un

Embalse Tropical Hipereutrófico (Pao-Cachinche, Venezuela): abundancia, biomaa

y producción primaria. Universidad Central de Venezuela.

Herbert, A. (1956). Tratado de Hidráulica Aplicada.


Hurtado, J. (1998). Metodología de la Investigación Holística. "da Ed. Instituto

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de Lagos y Embalses: Una Visión Integral de la Eutroficación, Osaka / Shiga. Series

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McNaughton, K. (1992). Bombas, Selección, Uso y Mantenimiento. México:

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Miliarium Ingeniería Civil y Medio Ambiente. (2011). Recuperado el 27 de

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Evaluación de Eutroficación en Lagos Cálidos Tropicales. Centro Panamericano de

Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente.

Tuberias Comerciales de Acero. (2011). Recuperado el 6 de Febrero de 2011, de

http://www.vemacero.com


Anexos


UNIVERSIDAD DE CARABOBO.

FACULTAD DE INGENIERÍA.

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA.

ENCUESTA SOBRE RELACIONES CON LA CALIDAD DE AGUA DEL

EMBALSE PAO-CACHINCHE

La siguiente encuesta se realiza con la finalidad de obtener conocimientos a

cerca de la problemática del embalse Pao-Cachinche.

No tome mucho tiempo en ninguna de las preguntas, más bien asegúrese de

responder a cada una de ellas. Trabaje con cuidado. Recuerde que no hay respuestas

correctas o incorrectas, lo que interesa es su opinión. Deje que su experiencia lo guíe

para marcar su verdadera opinión.

Se le agradece la colaboración que pueda prestar al responder responsablemente

la presente prueba, los datos aquí obtenidos son de carácter confidencial.

INSTRUCCIONES:

- La encuesta consta de 12 ítems, lea cuidadosamente cada uno antes de

responder.

- De las dos (2) alternativas, marque con una X sobre la que consideres tu

respuesta.

- Es individual.

Gracias.


Anexos 109

1. ¿Conoce usted como ha variado la calidad del agua del embalse Pao Cachinche a través de los años que tiene laborando en el mismo?

SI NO Si su respuesta anterior fue afirmativa:

2. ¿Cree usted que la calidad del agua ha desmejorado a través del tiempo? SI NO

Si su respuesta anterior fue afirmativa siga contestando.

3. ¿Crees que el problema de la calidad del agua del embalse se debe a las aguas servidas municipales?

SI NO 4. ¿Considera que el problema de la calidad del agua del embalse se debe al

arrastre de nutrientes de los suelos por las escorrentías? SI NO

5. ¿Cree usted que el problema de la calidad del agua del embalse se debe a deforestaciones?

SI NO 6. ¿Cree usted que a mayor profundidad la densidad aumente?

SI NO 7. ¿Usted pudiera asegurar que el embalse posee compuerta de drenaje de

sedimentos? SI NO

Si su respuesta anterior fue negativa.

8. ¿Al sacar esos sedimentos cree usted que la calidad del agua del embalse mejoraría para potabilizarla?

SI NO 9. ¿Cree usted que se puedan extraer esos sedimentos?

SI NO 10. ¿Cree usted que todas las compuertas de la torre toma se encuentran

operativas? SI NO

Si su respuesta anterior fue negativa.

11. ¿Cree usted que el numero de compuertas operativas en la torre toma han disminuido por la excesiva acumulación de sedimentos?

SI NO 12. Sabiendo que los elementos de nitrógeno y fósforo son de gran importancia

para el crecimiento excesivo de plantas en el embalse. ¿Cree usted que dichos elementos hayan aumentado considerablemente en los últimos años?

SI NO


Figura 1.1. Vista aérea del embalse

Figura 1.2. Nivel del embalse en condiciones posteriores a su construcción


Anexos 111

Grafico. Diagrama de Moody (1944)


Figura 3.1. Coeficientes de resistencia K valido para válvulas y accesorios

Fuente: Flujo de fluidos en válvulas accesorios y tuberías, (Crane, 1987)


Figura 3.2. Propiedades de saturacion del agua

Fuente: Flujo de fluidos en válvulas accesorios y tuberías. (Cengel, Y. Cimbala, J., 2006)


Figura 4.1. Ubicación geográfica e Cuenca Rio Pao


Anexos 115

Figura 4.2. Red de sistema de aireación

Figura 4.2. Sistema de generación eléctrica de la presa


Figura 4.3. Sistema de bombeo de la presa

Figura 4.4. Condiciones del embalse Pao-Cachinche


Anexos 117

Figura 4.5. Torre-Toma selectiva

Figura 4.6. Alrededores de la torre-toma selectiva


Figura 4.7. Muestra de las macrófitas presentes en el embalse

Figura 4.8. Método de extracción de macrófitas utilizado en la actualidad cuando el embalse no se

encuentra aliviando


Anexos 119

Figura 4.9. Canal de aliviadero de la presa


Figura 4.10. Canal de aliviadero de la presa

Figura 4.11. Alrededores del embalse


Anexos 121

Figura 4.12. Tributario perteneciente al embalse Pao-Cachinche



Anexos 123

Gra

fico

4.8

Fito

plan

cton

Em

bals

e Pa

o Cac

hinc

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orre

Tom

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m) 1

993-

2003

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93 –

abril

200

0 / H

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ayo

2000

-200

3)



Anexos 125

Tabla 4.9. Tuberías comerciales de acero, VEMACERO


Continuación Tabla 4.8. Tuberías comerciales de acero, VEMACERO

Fuente: (Tuberias Comerciales de Acero, 2011) (Tuberias Comerciales de Acero, 2011)


Anexos 127

Tabla 4.10. Valores de rugosidad equivalentes para tuberías comerciales nuevas

Fuente: (Cengel, Y. Cimbala, J., 2006)



Índice general

Índice General i

Índice de Figura v

Índice de Tablas vii

Índice de Gráficos ix

CAPÍTULO 1............................................................................................................. 3

El Problema................................................................................................................. 3

1.1- Planteamiento del problema. .......................................................................... 3

1.2- Formulación del problema. ............................................................................ 5

1.3- Objetivos. ........................................................................................................ 5

1.3.1- Objetivo General. .................................................................................... 5

1.3.2- Objetivos Específicos. ............................................................................. 5

1.4- Justificación del problema. ............................................................................ 6

1.5- Limitaciones. ................................................................................................... 7

1.6- Delimitaciones. ............................................................................................... 7

CAPÍTULO 2............................................................................................................. 9

Bases Teóricas ............................................................................................................ 9

2.1- Antecedentes de la investigación. .................................................................. 9

2.1.1- Introducción. ............................................................................................ 9

2.1.2- Antecedentes. ......................................................................................... 10

Antecedente Nº 1. ............................................................................................. 10

Antecedente Nº 2. ............................................................................................. 12


2.2.1- Embalse. ................................................................................................. 13

2.2.4- Eutroficación. ........................................................................................ 20

2.2.5- Factores limitantes. ............................................................................... 24

2.2.6- Clasificación de la Eutroficación. ........................................................ 25

2.2.7- Efectos de la Eutroficación. .................................................................. 26

2.2.8- Sólidos Suspendidos Totales. ............................................................... 34

2.2.9- Sifón. ...................................................................................................... 35

2.2.10- Densidad y Gravedad Específica. ...................................................... 37

2.2.11- Presión de vapor y cavitación. ............................................................ 38

2.2.12- La Ecuación de Bernoulli. .................................................................. 40

2.2.13- Numero de Reynolds........................................................................... 46

2.2.14- Calculo de pérdida de carga en tubería. ............................................. 48

CAPÍTULO 3 .......................................................................................................... 53

Metodología .............................................................................................................. 53

3.1- Nivel de la investigación. ............................................................................. 53

3.2- Diseño de la investigación. ......................................................................... 54

3.2.1- Conocer la situación actual del embalse Pao-Cachinche en relación a la eutroficación. ....................................................................................................... 54

3.2.2- Diagnóstico de la situación actual del embalse Pao-Cachinche en relación a la eutroficación. ..................................................................................... 55

3.2.3- Proponer alternativas de solución para la mitigación del problema de la eutroficación del embalse Pao-Cachinche......................................................... 55

3.2.4- Desarrollar la alternativa de método de extracción de sólidos suspendidos totales y sedimentos para un análisis de toma de decisión. ............ 56

3.3.1- Técnicas ................................................................................................. 64

3.3.2- Instrumentos. ......................................................................................... 65

3.4- Técnicas de procesamiento y análisis de datos. .......................................... 65

CAPÍTULO 4 .......................................................................................................... 67

Resultados ................................................................................................................. 67

4.1- Conocer la situación actual del embalse Pao-Cachinche en relación a la eutroficación. ............................................................................................................... 67

4.1.1- Características del diseño original ....................................................... 67

4.1.2- Obras de optimización para el sistema................................................. 69


Índice iii

4.1.3- Situación actual ..................................................................................... 69

4.1.1- Encuesta. ................................................................................................ 76

4.2- Diagnóstico de la situación actual del embalse Pao-Cachinche en relación a la eutroficación. .......................................................................................... 79

4.3- Propuestas de solución para la mitigación del problema de la eutroficación de embalse Pao-Cachinche. ................................................................. 82

4.4- Desarrollo de alternativa de método de extracción de sólidos suspendidos totales y sedimento para un análisis de toma de decisión. .................. 83

4.4.1- Ecuación general del sistema ................................................................ 84

CAPÍTULO 5........................................................................................................... 97

Análisis de Resultados ............................................................................................. 97

CAPÍTULO 6........................................................................................................... 99

Conclusiones y Recomendaciones .......................................................................... 99

6.1- Conclusiones ................................................................................................. 99

6.2- Recomendaciones ....................................................................................... 102

Referencias Bibliográficas ..................................................................................... 105

Anexos..................................................................................................................... 107



Índice de Figuras

2.1 Decantación por caída interferida. 16

2.2 Análisis de la curva de decantación interferida. 17

2.3 Zonificación longitudinal en factores ambientales que controlan el estado trófico de los embalses. 26

2.4. Patrón generalizado de crecimiento algal en 1: lagos oligotróficos a mesotróficos, 2: lagos eutróficos y 3: lagos hipereutróficos que padecen de colapsos algales.

31

2.5 Tuberías en forma de sifón. 35

2.6 Disposición de un sifón invertido. 36

2.7 Capas límite y de las estelas. 41

2.8 Fuerzas que actúan sobre una partícula de fluido a lo largo de una línea de corriente. 42

2.9 Selección de diámetro de un sistema de tubería. 57

1.1 Vista aérea del embalse. 114

1.2 Nivel del embalse en condiciones posteriores a su construcción. 114

1.3 Diagrama de Moody. 115

3.1 Coeficientes de resistencia K valido para válvulas y accesorios. 116

3.2 Propiedades de saturacion del agua. 117

4.1 Ubicación geográfica e Cuenca Rio Pao. 118


4.2 Sistema de generación eléctrica de la presa 119

4.3 Sistema de bombeo de la presa 119

4.4 Condiciones del embalse Pao-Cachinche 120

4.5 Torre-Toma selectiva 120

4.6 Alrededores de la torre-toma selectiva 121

4.7 Muestra de las macrófitas presentes en el embalse 121

4.8 Método de extracción de macrófitas utilizado en la actualidad cuando el embalse no se encuentra aliviando 122

4.9. Canal de aliviadero de la presa 123

4.10 Canal de aliviadero de la presa 124

4.11 Alrededores del embalse 124

4.12 Tributario perteneciente al embalse Pao-Cachinche 125 4.13 Catalogo de tuberías de Polietileno de alta densidad 126


Índice de Tablas

2.1. Rugosidad Absoluta vs Material 49

2.2. Coeficiente de K en pérdidas singulares 51 2.3. Tipos de bombas y sus aplicaciones 53

2.4. Velocidades Específicas para bombas rotodinámicas 54

3.1. Rugosidad para los materiales en estudio 67

4.1. Embalse Pao-Cachinche, torre toma 75

4.2. Temperatura Promedio (°C) Estación Torre Toma Noviembre 2010 77

4.3. Densidad-Viscosidad, noviembre 2010 78

4.4. Resultado de encuesta sobre relaciones con la calidad de agua del embalse 81

4.5. Factores “K” para accesorios del tramo del sifón 95

4.6. Factores “K” para accesorios del tramo de absorción 96

4.7. Factores “K” para accesorios del tramo de succión 96

4.8. Resultado del uso de la hoja de cálculo para material de Acero y PEAD 100

4.9. Tuberías comerciales de acero, VEMACERO 127

4.10. Valores de rugosidad equivalentes para tuberías comerciales nuevas 136





Índice de Gráficos

4.1. Fitoplancton durante el año 2001 76

4.2. Fosforo durante el año 2001 76 4.3. DBO durante el año 2001 76

4.4. Nitrógeno durante el año 2001 77

4.5. Turbiedad durante el año 2001 77

4.6. Temperatura promedio Noviembre 2001 78





Tabla 4.8. Resultado del uso de la hoja de cálculo para material de Acero y PEAD

VALORES CORRESPONDIENTES PARA UNA TUBERÍA DE ACERO

D (pulg) D (m) Q (m3/s) ρ (kg/m3) μ (kg/m s) ε (m) V (m/s) Re f f1 ∆H (m) Σhf (m) Pcrit (Pa)

10 0,254000 0,100000 997,000000 0,000890 0,000045 1,973527 561523,666283 0,015057 0,015057 46,987193 5,385964 -208404,835979

12 0,304800 0,100000 997,000000 0,000890 0,000045 1,370505 467936,388569 0,015032 0,015032 46,991106 2,238485 -85179,723848

14 0,355600 0,100000 997,000000 0,000890 0,000045 1,006901 401088,333059 0,015090 0,015090 46,993466 1,068647 -33856,249541

16 0,406400 0,100000 997,000000 0,000890 0,000045 0,770909 350952,291427 0,015195 0,015195 46,994997 0,566931 -9506,689592

18 0,457200 0,100000 997,000000 0,000890 0,000045 0,609113 311957,592380 0,015329 0,015329 46,996047 0,325758 3232,848573

20 0,508000 0,100000 997,000000 0,000890 0,000045 0,493382 280761,833142 0,015478 0,015478 46,996798 0,199237 10416,965641

24 0,6096 0,1 997 0,00089 0,000045 0,342626 233968,1943 0,0157999 0,01579989 46,99777653 0,085838 17414,98124

VALORES CORRESPONDIENTES PARA UNA TUBERIA DE PEAD

D (pulg) D (m) Q (m3/s) ρ (kg/m3) μ (kg/m s) ε (m) V (m/s) Re f f1 ∆H (m) Σhf (m) Pcrit (Pa)

10 0,254000 0,100000 997,000000 0,000890 0,000002 1,973527 561523,666283 0,012978 0,012978 46,987193 4,674570 -202462,668992

12 0,304800 0,100000 997,000000 0,000890 0,000002 1,370505 467936,388569 0,013386 0,013386 46,991106 1,993333 -83116,795714

14 0,355600 0,100000 997,000000 0,000890 0,000002 1,006901 401088,333059 0,013753 0,013753 46,993466 0,973947 -33060,190368

16 0,406400 0,100000 997,000000 0,000890 0,000002 0,770909 350952,291427 0,014086 0,014086 46,994997 0,525547 -9159,158539

18 0,457200 0,100000 997,000000 0,000890 0,000002 0,609113 311957,592380 0,014392 0,014392 46,996047 0,305859 3399,795375

20 0,508000 0,100000 997,000000 0,000890 0,000002 0,493382 280761,833142 0,014676 0,014676 46,996798 0,188911 10503,523824

24 0,6096 0,1 997 0,00089 0,0000015 0,342626 233968,1943 0,0151894 0,015189356 46,99777653 0,082521 17442,73897


Tabla 4.1. Embalse Pao-Cachinche, Torre-Toma

Parámetros en la Calidad Trófica del agua. Año 2010

FITOPLANCTON (O.m)


2001 29,95 40,964 20,608 37,52 27,65 28,7 23,464 18,508 5,15 48,2 21,092 7,18

FÓSFORO (FONDO)


2001 0,68 1,351 0,644 2,392 1,421 1,228 1,658 0,241 0,911 0,96 0,98

DBO (FONDO)


2001 7,91 8,08 10,81 13,7 12 9,85 7,65 5,01 9,65 8,91 10,53

NITRÓGENO AMONI ACAL (FONDO)


2001 2,04 3 2,59 3,47 0,42 0,1 3,63 5,01 3,29 2,79 1,28

TURBIEDAD (SUPERFICIAL)


2001 16,5 24 28,6 32,1 26,1 36,1 27,6 14,2 19,1 15,5 26,4 14,4

Fuente: suministrada por la C. A. Hidrológica del Centro (2001)


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